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

Рис. 2. Нагрузка на образцы:

а) состоящего из материала с одинаковыми деформа­ ционными свойствами; б, с) с разными деформацион­

ными свойствами

Из приведеных схем видно, что самые большие напряже­ ния имеют место и областях, которым соответствуют малью де­ формации.

§ 3. Теории горного давления

Сложность теоретического решения проблемы горного давле­ ния состоит в том, что разнообразно фпзико-мехапических свойств неоднородных и анизотропных горных пород вынужда­ ет прибегать к условным допущениям и искусственным схемам, дающим ориентировочные решения.

Существуют четыре теории, объясняющие горное давление в самой выработке, в очистном пространстве п вокруг них. Это широко известные теории: свода давления, плиты, предвари­ тельного третцинообразовашш н пластичной перекрывающей кровли.Все указанные теории исходят из того, что над подви­ гающимся очистным забоем и впереди пего имеется зона кон­ центрации напряжений, в которой давление в несколько раз выше нормального давления покрывающих пород и которая за­ капчивается на сравнительно большом расстоянии от очистного забоя.

10

кладка уже уплотнилась. Еще дальше в сторону выработанного пространства давление постепенно понижается до величины нормального давления покрывающих пород. Таким образом, хорда свода составляла бы 75—150 м, если взять за основу рас­ стояние между максимальными величинами опорного давления в пятах свода.

Опережающее опорное (дополнительное) давление состав­ ляет 2-~4-кратную величину от нормального, а давление зад­ ней пяты свода — только часть нормального давления покрыва­ ющих пород.

Согласно теории плиты сжимающие напряжения в забое очистной выработки можно объяснить том, что покрывающие выработку слои кровли изгибаются частично вследствие давле­ ния вышележащих слоев, частично — вследствие собственного веса и вызывают реакцию у опор. На рис. 4 приведено распреде­ ление напряжении вокруг очистного забоя. Максимальная ве­ личина дополнительного давления может достигать 250% от нор­ мального давления. Она уменьшается в сторону нетронутого массива и в сторону выработанного пространства. Над вырабо­ танным пространством (закладкой) на некотором расстоянии от очистного забоя устанавливается постоянное давление, опре­ деляемое весом покрывающих пород.

Рис. 4. Распределение напряжений в породах, окружающих очистную выработку, согласно тео

рии плиты

По теории предварительной трещиноватости (по Лабассу), горное давление распределяется вокруг очистного забоя тате же, как в штреке, который подвигается параллельно самому себе.

11а рис. 5 впереди забоя показана слегка изогнутая линия (5, которая под пластом и забоем проходит через точки Е, Е', Е". Она очерчивает так называемый контур зоны предварительной трещиноватости.

12

Рис. 5. Распределение напряжений в породах вокруг очистного забоя по теории предварительной трещино­ ватости

1 — земная поверхность; 2— зона сильной трещинова­ тости и деформаций; 3 — контур зоны сильной трещи­ новатости; 4 — зона предварительной трещиноватости;

Вне этой зоны породы не подвергаются влиянию очистных работ, в то время как внутри ее в результате дополнительного давления начинается деформация пород. Она захватывает не только кровлю, но и почву разрабатываемого пласта. Особенно значительные деформации наблюдаются внутри контура зоны сильной трещиноватости. В зтой зоне возникают максимальные напряжения. Увеличивается расслоение пород с их одновремен­ ной деформацией и опусканием кровли в рабочем пространстве забоя. При прогибе пижинх слоев кровли слои ее, расположен­ ные выше, оседают, и контур зоны сильной трещиноватости приобретает сводчатую форму с большим или меньшим накло­ ном к забою. Здесь начинается прогиб слоев и одновременно их расслоение с образованием так называемых пустот Вебера. Опускание продолжается в выработанном пространстве до мак­ симума, уменьшается сначала снизу и затем сверху, и, наконец, прекращается полностью после закрытия трещин. За очистным забоем также располагается зона повышенного давления.

Угол наклона контура зоны сильной трещиноватости опре­ деляется рядом факторов. Он возрастает с увеличением мощно­ сти полезного ископаемого, усадки закладки, а также с увели­ чением глубины разработки и длины забоя и уменьшается с

13

возрастанием скорости подвигания забоя, с увеличением угла падения, несущей способности пород. На форму контура зоны трещиноватости влияет опережающая отработка вышележащих пластов.

На основе натурных измерений создана теория пластичной перекрывающей кровли. Согласно этой теории кровля представ­ ляет собой как бы перекрытие, которое после выемки полезного ископаемого располагается на закладке. Породы кровли рас­ сматриваются как псевдопластичные; сдвижение их в призабой­ ном пространстве происходит за счет трещиноватости. Вес по­ род, расположенных над очистным пространством, раенреде ляется как дополнительное давление главным образом на мае сив перед очистным забоем и по его сторонам. По мере проднигапия забоя и опускания кровли закладка принимает на себя постепенно возрастающую часть горного давления до тех ион. пока но восстановится первоначальное давление. В заложен­ ном пространстве нет зон, в которых дополнительное давление превосходило бы нормальное давление покрывающих пород

(рис. П).

Кис. 6. Распределение напряжений перед очистным за боем и за ним по теории пластичной перекрывающей кровли:

1 — опережающее дополнительное давление; 2 — дав­ ление покрывающих пород; 3 — давление па закладку

Все эти теории объединяет положение о наличии дополни­ тельного давления впереди забоя и по его краям. В отношении дополнительного давления в выработанном пространстве эти те­ ории противоречат. Теория плиты и пластичной перекрываю­ щей кровли предполагает наличие подобной зоны; теория свода давления п предварительного трещниообразования оспаривает ее существование.

Если по теории свода над горной выработкой образуется свод давления, то это прежде всего воображаемый свод, возни­ кающий при рассмотрении вопроса о распределении линий сжи­ мающих напряжений вокруг очистной выработки. Эти линии напряжений не заходят в очистную выработку, так как целост­ ность пород здесь нарушена. Линии напряжений концентриру­ ются над полезными ископаемыми впереди забоя, и плотность этих линий считается мерилом величины давления. Для образо­ вания свода давления необходимо наличие зоны повышенного давления ташке и со стороны выработанного пространства. Но эта зона необязательно должна иметь размеры, аналогичные зоне над полезным ископаемым. Она может быть шире, а кон­ центрация напряжений может быть значительно меньше. В этом случае речь идет о несимметричном своде. Оседания выше­ лежащих пород начинаются уже впереди очистного забоя. Ве­ личина оседания зависит от податливости и сопротивления кре­ пи, от свойств п состояния породы. Например, оседание при глинистых сланцах больше, чем при песчаниках, а при трещи­ новатых породах больше, чем при монолитных.

Если породы кровли монолитны или имеют небольшую тре­ щиноватость и высокую прочность па изгиб (например, песча­ ник), то внутри свода давления образуется плита и на кон­ тактных поверхностях действует дополнительное давление. В нижних слоях непосредственной кровли такие явления возни­ кают реже. В основной кровле — чаще, и не только при песча­ никах, но и при песчанистых н глинистых сланцах.

Следует иметь в виду, что гипотезы позволяют .судить лишь о явлениях горного давления. Для более обоснованного опреде­ ления величины горного давления и выбора способа управления необходимо в каждом отдельном случае знать закономерности его проявления при фактических условиях разработки. Чтобы установить такие закономерности, необходимо провести много­ летние наблюдения и решить целый рядвопросов механики горных пород, в первую очередь, установить физико-механиче­ ские свойства горных пород применительно к фактическим ус­ ловиям их деформаций.

15

§4. Сдвижение пород над выработанпым пространством

Деформации пород вокруг выработанных пространств про­ является в разнообразных и сложных формах, что обуславли­ вается различной ориентировкой выработанных пространств относительно земной поверхности, размерами их площади и вы­ соты, физико-механическими свойствами руды и вмещающих пород, а также применяемой системой разработки полезного ископаемого и глубиной горных работ.

Породы над выработанным пространством в некоторых слу­ чаях могут оставаться ненарушенными, но возможно и местное их обрушение, не доходящее до поверхности и, наконец, массо­ вое сдвижение, достигающее земной поверхности и вызываю­ щее ее нарушение. Часть земной поверхности, затронутая сдви­ жением пород, носит название мульды сдвижения.

Случаи, когда породы вокруг выработанного пространства остаются ненарушенными, встречаются редко, чаще всего при разработке небольших обособленных рудных тел, залегающих в крепких породах и па небольшой глубине от поверхности.

Местные обрушения пород над выработанным пространст­ вом часто возникают как при разработке месторождений систе­ мами с открытым выработанным пространством, так я система­ ми с креплением и закладкой. Обычно, когда выемка полезного ископаемого не сопровождается нарушением поверхности, над выработанпым пространством в той или иной форме происходит местное обрушение пород.

Мощность месторождения является одним из важнейших факторов, влияющих на поведение пород над выработанным пространством. Чем больше мощность месторождения, тем боль­ шие обрушения пород могут произойти над выработанным про­ странством п тем вероятнее возможность распространения их до самой поверхности. Так как мощность месторождений дости­ гает 50—200 м и более, то при значительной площади вырабо­ танного пространства почти неизбежно распространение обру­ шения до поверхности. При таких условиях устранить обруше­ ние пород до поверхности можно применением камерно-стол­ бовой системы разработки пли системы с закладкой.

Длина месторождения, определяющая величину выработан­ ного пространства, оказывает решающее влияние па характер сдвижения пород. При большой длине облегчается процесс мас­ сового обрушения пород, так как при этом уменьшается удель­ ная величина сопротивления пород скалыванию вкрест прости-

16

Высота свода обрушения определится из выражения

Рис. 8 Сдвижение пород при наклонном палегации пласта

При наклонном залегании пород ось свода занимает проме­ жуточное положение между вертикалью к поверхности и нор­ малью к напластованию пород, как ото показано на рис. 8. Вы­ сота свода обрушения в атом случае составит:

18