Опорное давление вокруг выработок

Изучение вопросов распределения напряжений вокруг выработок является одной из основных и важнейших задач геомеханики, так как они непосредственно связаны с устойчивостью горных выработок и с решением ряда практических задач в области их крепления.

Как было отмечено выше, проведение выработки в массиве нарушает в некоторой области, окружающей выработку, первоначальное исходное поле напряжений. В результате этого вокруг выработки формируется опорное давление.

Опорное давление – это повышенное (по сравнению с первоначальным, существовавшим до проведения выработки) вертикальное давление покрывающих пород, возникающее в близи горных выработок вследствие перераспределения исходных напряжений.

Высокая концентрация полей напряжений при сооружении горной выработки формируется не только сверху, но также с боков и даже снизу, как правило, за счет упругих характеристик пород (коэффициента Пуассона). В результате окружающие выработку породы начинают воспринимать объемный вес вышележащей толщи пород.

В условиях массива пород, исходное напряженное состояние которого определяется силами гравитации, максимальной деформацией является вертикальное сжатие выработки (сближение кровли и почвы выработки). После перераспределения начальных исходных напряжений в кровле и в почве выработки возникают области пониженных напряжений, а в бортах – зоны повышенных их концентраций (опорное давление) (рис. 6.1 а). В случае, если действующие напряжения достигнут или превысят предел прочности массива на сжатие или растяжение, происходит разрушение пород выработки в бортах, а также в ее угловых частях кровли и почвы (рис. 6.1 б).

Зона влияния опорного давления зависит от конфигурации и поперечного сечения выработок, их количества, взаимного расположения (рис. 6.2). Ее размеры определяются следующими условиями: по мере приближения к выработке напряжения возрастают от исходных γ Н до максимума у краев обнажения.

а

б

Рис. 6.1. Опорное давление.

а – эпюры распределения напряжений; σ ₁ – максимальные главные напряжения, σ ₂ – тоже минимальные, τ _max – максимальные касательные напряжения, L – зона влияния выработки (зона опорного давления), γ Н и λ γ Н параметры исходного поля напряжений; б – области разрушения пород окружающих выработку.

а

б

Рис. 6.2. Распределение опорного давления.

а – при обособленных выработках; б – сближенных выработках: у₁ – опорное давление от выработки № 1; у₂ – тоже от № 2; у₁+у₂ – общее опорное давление.

Основным показателем, характеризующим величину опорного давления, является коэффициент концентрации напряжений:

,

(6.7)

где – главные максимальные напряжения.

В условиях, когда исходное природное поле напряжений характеризуется тектоническими силами, максимальной деформацией является сближение боковых стенок выработки. Высокая концентрация напряжений при этом образуется в кровле и почве выработки, а зоны разгрузки – в бортах. Вследствие этого разрушение пород будет наблюдаться в кровле и почве выработки. Характерный вид выработки после разрушения кровли высокими тектоническими напряжениями показан на рис. 6.3. После обрушения раздавленных пород контур выработки приобретает вид шатра. Породы почвы могут подниматься с разрывом их сплошности. В практике довольно часто разрушение пород в кровле выработок при наличии в массиве высоких тектонических напряжений происходит в динамической форме.

Рис. 6.3. Характер разрушений пород при действии тектонических напряжений.

В варианте, когда исходное напряженное состояние массива является гидростатическим, т.е. равнокомпонентным, деформации контура выработки во всех направлениях становятся примерно одинаковыми, а зона концентрации напряжений охватывает весь периметр выработки. Теоретически доказано, что после перераспределения природных напряжений максимальное давление, действующее на контуре выработки, равно 2 gН. В подобных условиях, разрушение выработки на больших глубинах происходит равномерно по всему контуру.