Напружений стан масиву порід та гірський тиск

 

Непорушений масив гірських порід на будь-якій глибині від земної поверхні знаходиться в напруженому стані об’ємного стиснення, обумовленого в основному вагою товщі налягаючи порід.

Кожний елементарний об’єм масиву на деякій глибині Н знаходиться під тиском стовпа вищележачих порід, що викликає появу вертикальної складової напружень, величина якої дорівнює

σ_z=γН, (8.1)

де γ – середня щільність налягаючого масиву порід, т/м³.

Згідно з законами механіки це викликає виникнення горизонтальних реактивних напружень у взаємно перпендикулярних напрямках і рівних по величині

σ_х=σ_у=σ_z (μ /1– μ), (8.2)

де μ – коефіцієнт Пуасона (коефіцієнт пропорціональності деформацій), величина якого для порід знаходиться в межах 0,2–0,3 з максимальним значенням 0,5.

Приведені залежності свідчать про те, що вертикальна складова в 2-4 рази більше горизонтальної, а при μ =0,5 вертикальна та горизонтальна складові рівні між собою.

Проте під дією тектонічних сил горизонтальні напруження можуть бути за величиною рівними і навіть більшими вертикальних, особливо на великих глибинах, що і підтверджують натурні виміри в різних регіонах земного шару.

Таким чаном, у непорушеному масиві порід завжди є поле потенційних напружень і, що важливо, вони знаходяться в стані рівноваги, так як у будь-якій точці масиву напруженням σ_х, σ_у, та σ_z протидіють рівні по величині та протилежні за знаком напруження – σ_х, – σ_у, – σ_z.

Сучасна фізика твердого тіла розглядає гірські породи як деяку макроскопічну систему, стан рівноваги якої порушується зміною будь-яких її фізичних параметрів.

При утворенні в масиві різних порожнин при виконанні гірничих робіт (проведенні гірничих виробок, очисних роботах), стан рівноваги поля напружень порушується.

Зміна поля напружень при утворенні порожнин-виробок обумовлюється відсутністю протидіючих напружень на границях порожнина-масив. У результаті в окремих місцях оточуючого виробку масиву виникає концентрація напружень, а в інших – їх ослаблення.

Зміна напружень – порушення стану рівноваги виникає у деякій зоні навколо виробки, яка в загальному випадку має еліптичну форму.

Розподіл реальних напружень навколо будь-якої виробки та їх величина залежать від форми, розмірів виробки, її орієнтації та властивостей масиву.

Напружений стан навколо виробки змінюється пропорційно глибині від земної поверхні, щільності масиву і обернено пропорційно фізичним властивостям масиву, в основному коефіцієнту міцності.

Відомий ряд методів, користуючись якими можна розрахувати та змоделювати розподілення напружень навколо виробки. Це моделювання методом фотопружності, розрахунковий метод кінцевих елементів (МКЕ) та ін. Якщо напруження в окремих ділянках перевищує допустимі (граничні для породи) масив починає обвалюватись.

Важливо відзначити, що система, в якій порушено стан рівноваги і яка потім залишена напризволяще, буде намагатися поступово набувати стану рівноваги (принцип Ле Шательє-Брауна). А час, за який система знову прийде в стан рівноваги, називають часом релаксації.

Стосовно до масиву, в якому виконані гірничі роботи, то він може відновити стан рівноваги тільки в випадку повного заповнення утвореної порожнини обваленими породами.

Час релаксації з моменту утворення порожнини до обвалення оточуючих порід є важливим параметром, який обумовлює залежність технології очисних робіт від тривалості стійкого стояння оголень.

Навантаження, яке діє на масив, та час його дії до моменту, коли несуча здатність виробки вичерпана, зв’язані обернено пропорціональною залежністю. Величина діючих в оголеному масиві напружень та стійкість масиву залежить від його фізичних властивостей, площі оголення та глибини розробки.

Зі збільшенням площі оголення та глибин гірничих робіт для масиву будь-якої міцності час стійкого стояння оголень зменшується, а швидкість виділення потенціальної енергії пружних деформацій зростає.

Швидкістю протікання кінетичних процесів можна керувати у досить широких межах, застосовуючи різні технологічні заходи та прийоми (зміна розмірів оголень, їх форм, орієнтації, використання різних видів підтримання виробок та інше).

Під гірським тиском розуміють природні сили, які виникають в масивах гірських порід, корисних копалин у результаті порушення стану рівноваги поля напружень при гірничих роботах з проведення виробок, вилучення корисних копалин. Гірський тиск проявляється у вигляді деформації виробок і ділянок оточуючого їх масиву, обваленні порід, навантажень на кріплення, цілики. Це явище є постійно діючим фактором при підземній розробці родовищ і часто в значній мірі ускладнює її. Це досить складне за своєю природою і різноманітне за формами характеру та величині проявів. Без всебічного врахування цього фактора неможливо правильно розв’язувати питання технології розробки та здійснювати її.

Так як первопричиною гірського тиску є поле напружень, важливо знати закономірність їх розподілення навколо підготовчих, нарізних і особливо очисних виробок. Вивченню цих закономірностей приділяється велике значення і виконується велика кількість досліджень.

Прояви гірського тиску при проведенні гірничих робіт спостерігаються також у вигляді обвалення і зрушення гірських порід, деформації між камерних ціликів (м.к.ц.), стелин, кріплення гірничих виробок, гірських ударів і підземних вибухів, стрілянні гірських порід.

Під гірськими ударами розуміють вибухоподібне відділення та відкидання від стінок підготовчих та очисних виробок породи, яке супроводжується сильним гулом, повітряним ударом і сейсмічним ефектом.

Породний вибух відрізняється від гірського удару значним обсягом обваленої породи, найчастіше він не супроводжується повітряним ударом і сейсмічним ефектом.

Стріляння гірських порід – це відділення невеликих шматків гірської породи від масиву зі значною швидкістю, яке супроводжується звуком, схожим на постріл. Як породний удар, так і породні вибухи є результатом звільнення накопиченої в міцному масиві енергії гірського тиску, який зумовив його перенапруження.

При вивченні напружено-деформованого стану масиву широко використовуються методи лабораторного моделювання на оптично активних матеріалах (метод фотопружності), тіньові методи, методи математичного моделювання на основі сучасної теорії пружності (метод кінцевих елементів МКЕ).

У натурних промислових умовах виконують виміри напружень з використанням свердловин і різних датчиків, а також інструментальні спостереження за спеціальними реперними станціями. Проте єдиної загально-признаної теорії гірського тиску, яка була б спроможна інтегрувати всю різноманітність протікаючих у породному масиві силових процесів, поки що нема.