Основные понятия и определения о горном давлении

16.03.2020

Силы и напряжения. Собственный вес пород, слагающих породный массив, вызывает появление внутренних сил, величина которых изменяется под воздействием проведения подготовительных выработок и ведения очистных работ. Эти силы действуют на элементарный объем породного массива, имеющий форму куба, со всех сторон. Силу, отнесенную к единице площади грани такого элементарного куба, называют напряжением.

В механике горных пород под горным давлением понимают вертикальные (при горизонтальном залегании пород) или нормальные к напластованию (при наклонном залегании) напряжения. Кроме того, имеются в виду горизонтальные или параллельные напластованию напряжения породного массива. Величину горного давления принято выражать в единицах механического напряжения (МПа).

Геостатическое давление, опорное давление, сдвижение пород при разгрузке, разрушающая деформация. Горное давление и нетронутом массиве будем называть геостатическим и обозначать символом р0. Оно равно весу всей толщи расположенных выше пород, отнесенному к единице площади, т. е. произведению глубины и объемного веса пород. На глубине 1000 м геостатическое давление составляет примерно 25 МПа. Горизонтальные напряжения в нетронутом массиве могут иметь ту же величину.

Искусственная полость в породном массиве (например, разрезная печь) обусловливает появление у ее боков давления р, превышающего примерно в два раза первоначальное давление Po. Это дополнительное, так называемое опорное, давление по мере удаления от выработки снижается до первоначального Po. При сравнительно небольшой прочности на сжатие угленосных пород (от 10 до 100 МПа) на глубине более 400 м породы могут подвергнуться разрушающим деформациям, распространяющимся на большее или меньшее расстояние в глубь массива. При этом разрушенные породы смещаются в полость выработки, поскольку отсутствует опора, которая могла бы противостоять их давлению. Объем пород увеличивается, так как раньше они находились в состоянии упругого сжатия, происходит частичное раскрытие трещин. Поэтому в таких случаях говорят о сдвижении пород при разгрузке.

Поскольку разрушенные породы не воспринимают опорное давление, оно смещается в глубь массива, где породы находятся в состоянии трехосного сжатия и обладают достаточно высокой несущей способностью. При этом величина опорного давления несколько возрастает в соответствии с увеличением пролета между опорами. Процесс сдвижения пород может продолжаться довольно долго; он завершается лишь тогда, когда нарушенные породы сами станут препятствовать дальнейшему развитию сдвижений.

Деформированию подвергаются также и ненарушенные породы, которые под действием опорного давления претерпевают упругое сжатие. Слой породы мощностью 10 м, испытывающий опорное давление в 100 МПа, сжимается на 3 см; примерно на такую же величину может быть сжат угольный пласт мощностью 1,5 м.

Изменения величины горного давления. По мере подвигания лавы увеличивается площадь обнаженной поверхности кровли пласта; соответственно изменяются величина горного давления и положение воспринимающих его опор. Над выработанным пространством образуется породная плита, опирающаяся на краевую часть угольного пласта перед забоем и на угольный массив или целики по бокам выработанного пространства и за разрезной печью. При этом в течение длительного времени только часть общего веса находящихся над плитой пород передается на обрушенные породы или закладочный массив. Осадка пород кровли происходит не одновременно по всей толще: вначале опускаются под действием собственного веса самые нижние слои, а затем приходят в движение вышележащие. Полости расслоения на контактах между отдельными слоями могут время от времени раскрываться и вновь смыкаться.

В зоне выработанного пространства действует пониженное, а в краевых частях — повышенное горное давление. В зависимости от геометрической формы и размеров выработанного пространства максимум опорного давления может превышать значение первоначального геостатического давления в 2—20 раз. Максимум опорного давления впереди очистного забоя перемещается вместе с подвиганием лавы. В краевых частях нетронутого массива с обеих сторон выработанного пространства опорное давление достигает такой же величины. Оно постепенно снижается до первоначальной величины р0 на расстоянии 30—300 м от угольного забоя и боковых границ выработанного пространства.

Разрушающие деформации пород и сопротивление крепи. В результате изменения напряженного состояния породного массива, вызываемого очистными работами, происходят разрушение породных слоев и перемещение отделившихся от массива породных блоков в сторону образовавшейся полости (например, на 1 м). Разрушающей деформации породного массива противостоит сопротивление крепи, которое обычно не превышает примерно 1 % величины горного давления (например, 0,2 MПa против более чем 20 МПа). Крепь поддерживает не всю толщу налегающих пород, а только отделившуюся от массива часть разрушенных пород; кроме того, сопротивление крепи способствует увеличению сил трения между отдельными породными блоками и, следовательно, препятствует развитию сдвижении.

Горное давление, проявления горного давления и крепь выработок. Следует четко определить различия между понятиями «горное давление», «проявления горного давления» и «нагрузка на крепь». Горное давление само по себе в горных выработках не ощущается и не воздействует на крепь, но от его величины и характера изменения зависят разрушающие деформации породного массива и, следовательно, деформирование крепи. Такие проявления горного давления зависят не только от его абсолютной величины, но и от свойств породного массива, системы разработки (например, с обрушением или закладкой) и в особенности от характеристик крепи.

Параметры горного давления, проявлений горного давления и распорного усилия крепи приходится определять раздельно и независимо друг от друга. На величину горного давления может в значительной мере влиять степень над- или подработки; его значение в данной точке породного массива зависит от постоянно изменяющихся геометрических форм и размеров выработанных пространств в пределах породного массива значительного объема. Непосредственные измерения изменений горного давления в пространстве и времени было бы слишком сложным и дорогостоящим делом. Кроме того, измерения горного давления существенно затрудняются анизотропией породных слоев и перераспределением напряжений в массиве, вызванным внедрением измерительного устройства. Ho все же горное давление можно определять, хотя и приближенно, используя методы математического моделирования. Для расчетной модели необходимо специальное определение понятия «горное давление». В этом случае под ним понимают расчетное среднее давление, которое действует на некоторую площадку размером, например, 10х10 м (при другом масштабе размеры площадки могут быть равными 25x25 м), расположенную вне зоны разрушений краевой части массива вблизи выработки. В большинстве случаев горное давление определяется для первой 10-метровой полосы, примыкающей к зоне разрушенных пород вдоль выработки или выработанного пространства.

При изучении проявлений горного давления в очистных и подготовительных выработках возможна как качественная, так и количественная оценка. Качественная оценка заключается в описании наблюдаемых проявлений, определении их типа и систематизации. Для количественной оценки измеряют характерные показатели проявлений, а получаемые результаты сопоставляют с другими измеряемыми величинами, например: с распорным усилием крепи или расстоянием между призабойной крепью и забоем. При этом руководствуются правилом, что измерениям подлежат те проявления горного давления, которые оказывают непосредственное влияние на горные работы.

В подготовительных выработках измеряют, например, вертикальную конвергенцию и смещение боков, выражаемые в долях исходной величины (высоты и ширины выработки), а в лавах — площадь вывалов, относимую к обшей площади обнаженной кровли.

Нагрузка на крепь, которая вначале соответствует усилию начального распора, вскоре становится равной тому сопротивлению, которое оказывает крепь деформации пород. Влияние крепи на предупреждение разрушающих деформаций породного массива зависит от ее конструкции, формы, начального распора и рабочего сопротивления.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна