Механические процессы при проходке выработки

Раскрытие выработки связано с удалением из массива некоторого объема грунта, ограниченного контуром этой выработки. В нетронутом массиве этот объем грунта обеспечивал равновесное состояние массива, т.е. воспринимал давление от окружающего грунта и противодействовал смещению частиц или блоков на контуре будущей выработки.

После проведения выработки начальное равновесное состояние нарушается. Происходит перераспределение напряжений в прилегающем к выработке массиве, их концентрация на одних участках и снижение на других. Грунт на контуре выработки получает возможность свободного смещения и может обрушиться в образовавшуюся полость.

Состояние выработки, при котором на ее контуре не возникает обрушений, называется устойчивым. В противном случае говорят о потере устойчивости выработки.

Степень устойчивости незакрепленной выработки зависит в первую очередь от:

- физико-механических характеристик грунта;

- структуры массива и степени его нарушенности;

- пролета и формы выработки;

- глубины заложения выработки.

Очевидно, что устойчивость выработки зависит от времени, которое может колебаться от нескольких минут, до нескольких месяцев в соответствии с перечисленными выше факторами.

Прогноз устойчивости выработки предполагает не только решение вопроса о возможности или невозможности образования вывалов, но и установление характера и объема обрушений.

Оценка устойчивости незакрепленной выработки в конкретных условиях подземного строительства чрезвычайно важна, поскольку определяет необходимость устройства крепи, ее конструкцию и максимально возможное расстояние установки крепи от забоя.

Механизм процесса, приводящего к обрушению в незакрепленной выработке достаточно сложен, поскольку подвержен влиянию большого числа факторов. Представление об этом процессе можно получить, рассмотрев три упрощенные схемы, которые вполне раскрывают причинно-следственные связи изучаемого явления и дают возможность в дальнейшем уяснить теоретическую интерпретацию этого явления.

Механизм потери устойчивости выработки представляют обычно в виде схем, каждая из которых определяет, что является причиной разрушения грунта и в какой форме проявляется обрушение.

В этой связи различают три формы потери устойчивости:

- вывалообразование под собственным весом грунта;

- разрушение грунта в зонах концентрации напряжений;

- чрезмерное смещение обнаженной поверхности без видимого

разрушения грунтов вследствие пластических деформаций.

Рассмотрим механизм потери устойчивости в соответствии с указанными формами.

Главное допущение при обосновании возможности потери устойчивости в форме вывалообразования - начальное напряженное состояние грунтового массива не оказывает влияния на степень устойчивости выработки. В качестве причины потери устойчивости принимается собственный вес частиц или блоков грунта вблизи контура выработки.

При таких исходных предпосылках механизм обрушения грунта довольно прост и может быть объяснен следующим образом (рис.7.3,а).

Рис.7.3. Формы потери устойчивости выработки:

а) - вывалообразования под действием собственного веса блоков грунта, отделившихся от массива;

б) - разрушение грунта в зонах концентрации напряжений.

1- ненарушенный массив;

2 - блоки, потерявшие связь с основным массивом;

3 - область начального напряженного состояния грунтового массива;

4 - область перераспределения напряжений под влиянием проходки выработки;

5 - зоны концентрации напряжений, превосхо­дящих прочностные характеристики грунтового массива.

 

После раскрытия выработки частицы грунта или отдельные блоки под действием собственного веса получают возможность сдвигаться в образовавшуюся полость.

Сдвижению препятствуют удерживающие силы, связывающие эти частицы или блоки с основным массивом грунта. Если суммарное действие всех удерживающих сил S_i (силы трения, сцепления, распор и взаимное зацепление и т.п.) не в состоянии предотвратить сдвижение блоков под действием собственного веса G, то неизбежно обру­шение определенной части массива в выработку. Процесс длится до тех пор, пока не достигнет тех границ, где соотношение указанных сил изменится в обратную сторону.

Очевидно, что склонность к вывалообразованию зависит только от характера связи между отдельными частицами или блоками, слагающими массив, а в скальных трещиноватых грунтах - и от структурного строения массива, интенсивности трещиноватости, количества систем трещин, их ориентировки, и не зависит от глубины заложения выработки.

В зависимости от свойств грунтового массива вывалообразование проявляется либо в виде отдельных незначительных по объему вывалов, локализованных по периметру выработки (преимущественно в кровле), либо в виде сплошного вывала, размеры которого соизмеримы с пролетом выработки. В последнем случае границы вывала охватывают не только кровлю, но и бока выработки и тогда говорят, что потеря устойчиво­сти выработки происходит в виде свода обрушения.

При проходке выработки в слабых малосвязных грунтах или раздробленных скальных на относительно небольшой глубине границы зоны обрушения могут достигнуть дневной поверхности.

Механизм потери устойчивости выработки в форме вывалообразования исключает напряжения в грунтовом массиве как первопричину обрушения грунта, поэтому правомерность гипотезы вывалообразования ограничена заложением выработки на относительно небольших глубинах в грунтах со слабыми структурными связями между частицами или блоками.

Если при проходке выработки ожидается высокий уровень интенсивности напряжений в грунтовом массиве, то справедливо предположить, что процессы сдвижения и разрушения грунта на контуре выработки будут связаны в первую очередь с перераспределением напряжений вблизи образованной полости. В этом случае потеря устойчивости выработки протекает в форме разрушения грунта в зонах концентрации напряжений.

Механизм обрушения грунта на контуре выработки при таких исходных предпосылках может быть представлен следующим образом (рис.7.3,б).

После проходки выработки в массиве формируется новое поле напряжений, захватывая определенную область, которую называют - зона влияния выработки. Вблизи выработки величины напряжений, вследствие их концентрации, достигают больших значений и могут в определенных областях превосходить реальную прочность грунтов или вызвать сдвиг в массиве по поверхностям ослабления (поверхности в трещиноватых скальных и полускальных грунтах, где сопротивление сдвигу по трещинам существенно снижено). Причиной потери устойчивости в таком случае является предварительное разрушение грунтового массива в окрестности выработки в зонах концентрации напряжений и последующее обрушение его в выработку. Очевидно, что чем больше толща грунта над выработкой, тем существеннее уровень начальных напряжений в массиве и тем большее воздействие оказывает увеличение напряжений на прилегающий к выработке грунт; чем ниже прочностные параметры грунтового массива, тем интенсивнее разрушение грунта под воздействием этих напряжений. В отличие от вывалообразования характер и размеры обрушений грунта, вызванных концентрацией напряжений, определяются прочностными характеристиками грунта, его сопротивлением сдвигу под действием внутренних напряжений, величина которых зависит от веса вышележащей толщи грунтов, а следовательно, от глубины заложения выработки.

Если же выработка расположена в пластичных глинистых грунтах, то потеря устойчивости может происходить в результате пластического течения грунтов, происходящих без заметных разрушений. Для идеально пластичной среды грунт может полностью заполнить весь объем выработки. Причиной потери устойчивости является либо пластическое деформирование грунтов в течение неограниченного времени, либо разрушение грунтов вблизи выработки в зонах развития чрезмерных деформаций, превышающих предельные.

Так же как и в предыдущем случае характер и размеры обрушений грунта определяются прочностными и деформативными характеристиками грунта, зависящими от глубины заложения выработки, при этом существенное влияние на устойчивость оказывают размеры выработки.

Понятие о горном давлении

После проходки выработки создается новое равновесное напряженно-деформированное состояние прилегающего к ней грунтового массива.

Процесс формирования нового напряженно-деформированного состояния грунтового массива, вызванный проходкой выработки и сопровождающийся сдвижением, деформациями и разрушением грунта называют проявлением горного давления, а возникающие в результате внутренние усилия (напряжения) в грунтовом массиве - горным давлением.

Если выработка закреплена, то часть напряжений будет воспринята крепью и традиционно это силовое воздействие называют горным давлением на крепь выработки или на обделку тоннеля.

Прибегая к тем или иным производственно-технологическим приемам или конструктивным решениям крепи, можно целенаправленно изменить интенсивность воздействия горного давления на крепь, т.е. можно у правлять горным давлением.

В практике проектирования и строительства подземных сооружений понятие «горное давление» традиционно сохраняется, однако при решении задач механики подземных сооружений это понятие используется все реже и реже. Его заменяют более широким и более приемлемым при расчетах подземных сооружений термином «напряженно-деформированное состояние грунтового массива» (прилегающего к незакрепленной выработке) или «напряженно-деформированное состояние системы «грунтовый массив- обделка (крепь)».