Файл: Садовский, Г. И. Механика горных пород, расчеты крепи и конструктивных элементов систем разработки рудных месторождений подземным способом [учебное пособие].pdf

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

КРАСНОЯРСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Норильский вечерний индустриальный институт

Г. И. Садовский, А. А. Колетов. А. А. Янишевский

МЕХАНИКА ГОРНЫХ ПОРОД, РАСЧЕТЫ КРЕПИ

И КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ

Красноярск — 1974

ВВЕДЕНИЕ

Научная дисциплина «Механика горных пород» занимается изучением закономерностей механических процесов, происходя­ щих в горных породах при разработке месторождений полезных ископаемых. Механика горных пород тесно связана с другими дисциплинами (геология, петрография, минералогия, инженер­ ная геология, гидрогеология), так как физико-механические свойства пород обуславливаются минералогическим составом, генезисом и последующим метаморфизмом, а' напряжении в массиве нередко связаны с тектоническими явлениями.

Следует отметить, что механика горных пород, как научная дисциплина, и теории горного давления еще не располагают вполне падежными методами для расчета подземных конструк­ ций, в связи с чем большое значение придается эксперименталь­ ным методам изучения отдельных вопросов горного давления как в лабораторных условиях на моделях, так и в натурных ус­ ловиях. При выборе типов конструкций и размеров крепи боль­ шое значение придается практическому опыту.

По результатам проводимых исследований определяются тех­ нологические схемы и параметры горных работ, выбираются си­ стемы разработки и определяются их элементы; устанавливают­ ся рациональные способы и схемы управления горным давлени­ ем; даются рекомендации по оптимальному креплению очист­ ных и подготовительных выработок и защите других ответствен­ ных объектов от вредного влияния горных работ.

Главы пособия, в которых даются методы расчета крепи и конструктивных элементов систем разработки, базируются на сопротивлении материалов, основах теории упругости, строи­ тельной механики и эмпирических зависимостей.

3

Рассмотренные в работе методы расчета иллюстрированы примерами, которые помогут студентам при выполнении курсо­ вых и дипломных проектов.

Учебное пособие состоит из четырех глав: механика горных пород; физико-механические свойства горных пород; расчет кре­ пи горных выработок; расчет конструктивных элементов систем разработки. В учебном пособии дается терминология механики торных пород и приводятся данные по физико-механическим свойствам горных пород.

4

Г л а в а 1

МЕХАНИКА ГОРНЫХ ПОРОД

§ 1. Краткий обзор состояния изученности вопросов

механики горных пород

Первые попытки теоретически обосновать проявление горно- ю давления были сделаны в середине XIX столетия в связи с необходимостью ограждения поверхности от подработки при ведении подземных работ и несколько позже при строительстве железнодорожных туннелей.

В 1885 г. была опубликована работа Фаноля—первое иссле­ дование процесса деформации подработанного массива горных пород в модели. В этой работе впервые выдвинуто представле­ ние сводообразования массива горных пород, затронутых сдви­ жением в форме прогиба или обрушения.

Первые попытки объяснить причины обрушения пород в чуннелях, давление на крепь и сформулировать условия ее рас­ чета принадлежали Гейлу (Швейцария), Вагнеру (АвстроВенгрия), Риттеру (Германия). Одни ученые объясняли горное давление на крепь влиянием ограниченного объема пород во­ круг выработки, другие — упругой деформацией всей толщи.

Па основании наблюдаемых в практике явлений, например, устойчивости выработок без крепления в крепких породах даже при большой глубине разработки, применения крепи одинаковой прочности при различной глубине постепенно стало склады­ ваться представление о том, что при проведении выработки в массиве горных пород нарушается существовавшее до этого

5

равновесие, и силы, действующие в окружающих выработку по­ родах, перераспределяются. В результате вокруг выработки об­ разуется зона пониженных напряжений, где породы как бы раз­ гружены от того напряжения, которое они испытывали до про­ ведения выработки. Разгруженная зона в свою очередь окруже­ на зоной повышенных напряжений, постепенно переходящих в глубине массива до нормальных.

IТо имени маркшейдера Тромпетера, выступившего в 4899 г. с доказательством такого представления на основании своих на­ блюдений при подземных работах, зону пониженных напряже­ ний вокруг выработки называют зоной Тромпетера.

Зону повышенных напряжений можно рассматривать как зону опорного давления, возникающего в результате перерас­ пределения напряжений в породах над выработкой.

Теоретические исследования но вопросам механики горных пород, выполненные за последние 20—30 лет, могут быть под­ разделены на несколько групп в зависимости от предмета и це­ ли исследования:

1)горное давление па крепь;

2)горное давление в шахтных стволах;

3)горное давление и деформации массива пород при очист ­

ной выемке;

4)давление на целики;

5)сдвижение поверхности.

С другой стороны, все работы по теории механики горных пород и методам определения нагрузки можно подразделить, в зависимости от физического представления о свойствах массива горных пород и его поведения при нарушении состояния равно­ весия горными работами, на несколько направлений:

1. Массив горных пород в связи с обычно наблюдающейся трещиноватостью, слоистостью, наличием нарушений рассмат­ ривается как дезинтегрированная среда с внутренним трением и сцеплением, и к ней применимы законы для сыпучей среды с внутренним трением.

2.Массив представляется в виде сплошной однородной сре ды, подчиняющейся законам теории упругости.

3.До проведения выработок горные породы рассматривают­

начальное состояние и свойства массива горных пород считают

си изменившимися.

4.Горный массив, сложенный осадочными породами, являет­ ся слоистым и рассматривается как состоящий из плит (балок)

$

различпой толщины и прочности, что дает основание для при­ менения положений сопромата или теории упругости.

Разнообразие предпосылок можно объяснить различными свойствами горных пород. Каждая из указанных предпосылок дает более или менее приемлемое решение лишь для частного случая.

§ 2. Напряженное состояние горных пород

Явления, изучаемые механикой горных пород, рассматри­ ваются в относительно малых участках земной коры н в срав­ нительно короткие промежутки времени. Поэтому в качестве ис­ ходного положения принимается, что в нетронутом массиве горные проды находятся в равновесном объемном напряженном состоянии, вызванном только весом налегающих пород (рис. 1).

Рис. 1. Схема напряженного состоя­ ния пород в масиве

При спокойном залегании массива пород вертикальное на­ пряжение равно:

i:u- Г — средний объемный вес налегающих пород, т/м”; Н — мощность налегающих пород, м.

7

Горизонтальные напряжения принимаются обычно одинако­ выми

'Tx>«Tz,

Проведение ropnoii выработки нарушает первоначальное на­ пряженное состояние массива в некоторой области вокруг вы­ работки: в кровле горизонтальной выработки прямоугольного сечения появляются растягивающие напряжения, а в стенках усиливаются сжимающие напряжения. Образуется новое ноле напряжений. Характер его зависит от глубины расположения выработки, ее формы и соотношения размеров поперечного се­ чения, положения выработки относительно горизонта, характе­