Файл: Булычев, Н. С. Расчет крепи капитальных горных выработок.pdf

34

Г л а в а II

ОСНОВНЫЕ

МЕХАНИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОРОД И КРЕПИ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК НА КРЕПЬ

§5. РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИИ

ОВЗАИМОДЕЙСТВИИ ПОРОД

ИКРЕПИ.

ГИПОТЕЗЫ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

В развитии механики горных пород можно, как известно, выде­ лить три основных этапа.

Первый этап (примерно до начала 30-х годов нынешнего столе­ тия) — наука отстает от практики и решает только те задачи, которые ставит перед ней практика. Второй этап (30—40-е годы) — наука начинает догонять практику и решает задачи, которые только еще возникают перед практикой. Третий этап (начиная с 50-х годов) — наука все решительнее опережает практику.

На первом этапе основной задачей науки было о б ъ я с н е н и е известных фактов. В этот период был высказан ряд гипотез горного давления, которые изменялись и совершенствовались по мере нако­ пления и обобщения производственного опыта и развития науки. Особенностью гипотез («теорий горного давления») было стремление найти такие исходные положения, из которых, как следствие, можно было бы вывести все известные факты.

На втором этапе существенно развивается п о з н а в а т е л ь ­ н а я функция науки. Ведутся углубленные, преимущественно экс­ периментальные исследования закономерностей проявлений горного давления. Этот период знаменуется также применением іх решению задач механики горных пород строгих методов механики сплошной среды и в первую очередь — теории упругости.

На третьем этапе все более определенно оформляется новая

иглавная функция науки — п р о г н о з и р о в а н и е . Теоретиче­ ские исследования начинают играть главную роль в общем комплексе исследований и оказывают все возрастающее влияние на выбор основных направлений развития науки, а также на задачи, методику

иинтерпретацию результатов экспериментальных исследований.

Одной из непременных задач исследования ставится разработка рас­ четного метода.

Теоретические исследования имеют, каіг известно, дело с м ы с ­ л е н н ы м и (идеальными) моделями изучаемых явлений. При ана­ лизе взаимодействия массива пород с крепью горных выработок

вкачестве такой модели выступает механическая модель — расчетная схема взаимодействия, математический анализ которой позволяет определить количественные параметры взаимодействия пород и крепи

вкаждом конкретном случае.

36

Вотличие от материального моделирования, где построение мо­ дели регламентировано законами теории подобия, выбор механиче­ ской модели представляет серьезные трудности и является едва ли не главным в теоретическом исследовании.

Внастоящее время можно выделить шесть основных механиче­

ских моделей взаимодействия массива пород с крепью выработки, к анализу которых сводятся наиболее известные теоретические иссле­ дования:

упругая модель; жесткопластическая модель; упругопластическая модель;

упругопластическая неоднородная модель; вязкоупругая модель; вязкопластическая модель.

Названия моделей условны (как и всякие названия), поэтому необходимо сделать ряд предварительных пояснений. Во-первых,

механическая модель взаимодействия пород и крепи не сводится к модели массива, хотя механические свойства массива являются одним из определяющих признаков при выборе модели. Один и тот же массив может быть представлен разными моделями в зависимости от соотношения его механических характеристик с характеристиками природного поля напряжений, от характера взаимодействия массива с крепью и типа крепи и, наконец, в зависимости от задач исследова­ ния и срока службы выработки.

Во-вторых, набор моделей медленно, но неуклонно пополняется. Выше названы лишь основные, достаточно исследованные модели, в которых массив моделируется сплошной средой. Между тем из­ вестны работы, в которых массив рассматривается как дискретная (зернистая) среда, поведение которой определяется законами статистики (И. И. Кандауров, Е. Литвинишин, Р. А. Муллер, Б. И. Гаргер и др.).

Гипотезы горного давления

Известны следующие основные гипотезы горного давления, выска­ занные применительно к одиночным горным выработкам и тоннелям:

гипотеза полного веса столба пород; гипотеза части веса столба пород; гипотеза балок (плит); гипотеза свода обрушения; гипотеза свода давления;

гипотеза об отсутствии давления на крепь (стволов) в скальных породах.

Указанный порядок в какой-то степени соответствует хронологии появления гипотез и в известной мере характеризует эволюцию представлений о механизме силового воздействия пород на крепь выработок. Действительно, гипотеза свода является значительным шагом вперед по сравнению с гипотезой веса столба пород. Вместе с тем в действительности развитие науки не было прямолинейным,

37

а чередование гипотез столь последовательным. Примером сказан­ ного может служить долгое время существовавшее различие в пред­ ставлениях о горном давлении в горизонтальных и вертикальных выработках. Так, если гипотеза полного веса столба пород утратила свое доминирующее положение применительно к горизонтальным выработкам еще в прошлом веке, то применительно к вертикальным стволам она признавалась по меньшей мере до 30-х годов нынешнего столетня. Такое «противоречие» существовало, в частности, во взгля­ дах М. М. Протодьяконова [139].

Кроме того, перечисленные гипотезы нельзя рассматривать как цепь отвергнутых заблуждений. Они вписываются и в наши совре­ менные представления о взаимодействии пород с крепью выработок как частные случаи такого взаимодействия. В свое же время каждая из этих гипотез претендовала на открытие общих закономерностей.

Гипотеза полного веса столба пород. Эта гипотеза характери­ зуется следующими соотношениями для расчетных нагрузок на крепь:

По-видимому, впервые эта гипотеза была высказана Туалье — автором известного «закона нормалей» — в 1838 г. В дальнейшем с иных позиций (с позиций восстановления естественного напряжен­ ного состояния пород) к ней вернулся А. Гейм (1905 г.).

На позициях гипотезы полного веса пород (природного поля напряжений) по отношению к вертикальным выработкам находились А. Н. Динник (1925 г.), М. М. Протодьяконов (1931 г.), П. М. Цим-

баревич (1933 г.), В. И. Белов (1940 г.) и др. [62, 97].

Гипотеза части веса столба пород. Наиболее известным предста­ вителем этой гипотезы является Бирбаумер (1913 г.) [139]. Он уста­ новил, что «столб пород» может оказывать давление на крепь выра­ ботки полным весом только на малых глубинах. С увеличением глу­ бины возрастает сопротивление опусканию «столба», вследствие чего на крепь передается только часть его веса. Сопротивление опусканию столба пород может даже превысить вес столба.

Для гипотезы части веса столба пород характерно соотношение

Гипотеза балок (плит). Эта гипотеза, как и гипотеза части веса столба пород, относится к горизонтальным выработкам. Она учиты­ вает слоистое строение пород и рассматривает работу отдельных слоев в кровле выработки как работу балок или плит при различных вариантах нагрузки (от собственного веса до веса «столба пород»). С позиций гипотезы балок (плит) были исследованы, в частности, предельные пролеты различных типов слоистой кровли.

88