Перераспределение напряжений в породных массивах вокруг очистных выработок

Перераспределение напряжений в породных массивах вокруг очистных выработок

Источник: Черняев В.И., Зборщик М.П., Грищенков Н.Н., Нетеренко Б.И. Планирока горных работ при отработке свит выбросоопасных угольных пластов — Донецк:ДонГТУ, 1998.-142с.

В результате проведенных шахтных наблюдений установлено, что в области влияния одиночной очистной выработки в подра¬батываемой и надрабатываемой толщах образуются три характерные зоны напряженного состояния пород: зона опорного давления, зона разгрузки и зона уплотнения пород.
В зоне опорного давления происходит сжатие угольных пластов и пород по нормали к напластованию. Величина сжатия подрабатываемых и надрабатываемых угольных пластов и пород зависит от их крепости, глубины разработки, мощности междупластий и может достигать 0,5-0,7% мощности пласта при небольших междупластьях.
В зоне разгрузки происходит понижение опорного давле¬ния и расширение угольных пластов и пород по нормали к на¬пластованию, достигающее 2,2% вынимаемой мощности пла¬ста. В надрабатываемой толще в зоне разгрузки вследствие уп¬ругого восстановления пород возможно поднятие массива на величину до 300 мм на глубине разработки около 900 м.
По мере увеличения площади выработанного пространст¬ва, вследствие роста давления подработанных пород кровли на обрушенные породы и почву очистной выработки образуется зона вторичного уплотнения, в которой угольные пласты и по¬роды вновь подвергаются сжатию.
Параметры напряженного состояния горного массива в зонах влияния очистных выработок при разработке свит уголь¬ных пластов являются функцией тензора напряжений. Инстру¬ментально измерить компоненты тензора напряжений весьма трудно, а часто и невозможно в полном объеме из-за недоступ¬ности для измерений всей толщи горных пород. Кроме того, не¬избежные погрешности инвазивных тензометрических методов снижают достоверность полученных результатов. Поэтому ог¬ромное значение приобретают экспериментально-аналитиче¬ские методы исследования состояния массива горных пород, применение которых обосновано в работе [15].
Сущность этих методов заключается в том, что предла¬гаемые для определения параметров напряженного состояния горного массива аналитические модели проходят эталонирова¬ние (самокалибровку) на данных экспериментальных шахтных исследований. При достижении приемлемого уровня совпаде¬ния аналитических (расчетных) и экспериментальных данных предлагаемая аналитическая модель признается достоверной для соответствующих горно-геологических условий разработки.
Аналитические модели и методы расчета напряженного состояния массива в зонах влияния подземных выработок используют фундаментальные положения теории упругости, пла¬стичности, ползучести. Эффективность их применения зависит от правильной и корректной постановки задачи и обоснованности принятых расчетных схем.
Аналитические методы механики сплошной среды применяются для расчета напряженного состояния массива горных пород вне зон обрушений, разломов, расслоения, интенсивных смещений пород. Зоны обрушений и разломов, как правило, отсутствуют в надрабатываемой толще, за исключением редких случаев, когда происходят внезапные поднятия и разрушения пород непосредственной почвы пласта в призабойном пространстве лавы.

Источник

Напряженное состояние в массиве вокруг очистной горной выработки

Выработки, образуемые в результате непосредственной выемки полезного ископаемого при его разработке, называют очистными.

Основные задачи управления горным давлением в очистных выработках, также как в капитальных и подготовительных, заключаются в обеспечении устойчивого состояния выработок (или призабойного пространства) в течение необходимого времени их эксплуатации и в выборе наиболее экономичного, но вместе с тем полностью обеспечивающего безопасность работающих людей, способа крепления и поддержания выработанного пространства.

По сравнению с подготовительными и капитальными выработками очистные выработки обладают некоторыми особенностями. Важнейшими из них являются:

* значительно большие размеры поперечных сечений и их изометричность;

* непрерывное движение забоя, обусловливающее постоянное изменение поля статических напряжений вокруг выработки, а также большую интенсивность воздействия технологических процессов (взрывных работ);

* существенно меньшее время эксплуатации.

Эти особенности очистных выработок определяют, в свою очередь, и специфические проявления горного давления в них.

Формы и характер проявлений горного давления в очистных выработках весьма разнообразны (от небольших перемещений и деформаций горных пород и полезного ископаемого до их разрушения и обрушения, от незначительных нагрузок на крепь до полного вывода ее из строя) и зависят от многих факторов, в том числе от глубины разработки, структуры и механических свойств массива горных пород, мощности и угла падения полезного ископаемого. Большое влияние на проявления горного давления оказывают производственно-технические условия эксплуатации месторождений, характеризующиеся формой, размерами и расположением выработок, технологией ведения добычных работ, способом управления горным давлением, скоростью подвигания забоев, видом крепи и т. д.

В первую очередь на контуре выработанного пространства и в окружающем массиве пород происходят упругие смещения. В некоторых, правда весьма немногочисленных, случаях, указанными упругими смещениями процессы деформирования массива пород и исчерпываются. Однако это может иметь место лишь при очень прочных породах и высокой степени монолитности массива, в частности, при разработке некоторых рудных месторождений системами с открытым очистным пространством, например, камерными и камерно-столбовыми системами.

Гораздо чаще в выработанном пространстве вслед за упругими смещениями пород кровли и стенок развиваются неупругие деформации и происходят локальные разрушения. Этому способствует развитие в окружающем массиве зон концентрации как сжимающих, так и растягивающих напряжений. В процессы деформирования вовлекаются большие объемы пород, а вследствие этого — неоднородности низких порядков, по поверхностям которых массив наиболее ослаблен. В результате этого в очистных выработках развиваются процессы обрушения покрывающих пород.

Область массива пород вокруг выработок, в которой проявляются пластические, вязкие деформации и разрушение, составляет так называемую зону неупругих деформаций. Параметры зоны неупругих деформаций характеризуют состояние выработки, они являются исходными для выбора и расчета крепи, а поэтому их определение — обычно конечная цель теоретических и экспериментальных исследований.

По мере извлечения полезного ископаемого и перемещения забоя поле напряжений вокруг очистной выработки изменяется. Область массива, в пределах которой происходят эти изменения, называют зоной влияния очистной выработки. По степени и характеру процессов деформирования и перемещения пород в пределах влияния очистной выработки в массиве могут быть выделены несколько различных зон: зона обрушений, зона трещин, зона плавного прогиба, зона сдвижений.

С точки зрения напряженного состояния в массиве пород вокруг очистной выработки выделяют две характерные зоны: зону разгрузки и зону опорного давления (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема деформирования пород вокруг очистной выработки при крутом падении пласта.

1 — зона опорного давления; 2 — пласт угля; 3 — зона разгрузки; 4 — эпюры напряжений; 5 — граница области влияния выработки.

Первая (зона разгрузки) характеризуется тем, что в ее пределах породы испытывают меньшие напряжения, чем существовавшие до проведения очистной выработки. Область, где напряжения превышают уровень первоначального поля напряжений, носит название зоны опорного давления и по существу представляет собой зону концентрации напряжений вокруг очистной выработки.

Результирующая эпюра опорного давления имеет вид не плавной кривой, а содержит точку перегиба и состоит из двух ветвей, возрастающей и ниспадающей (рис. 4.3).

Рис. 4.3 Эпюра напряжений в зоне опорного давления при разрушении пород на контуре очистной выработки.

Пик напряжений в зоне опорного давления располагается обычно на расстоянии от забоя, равном 2 — 5 мощностям пласта и равен чаще всего (2-3) gH.

Источник

Напряженное состояние породного массива вокруг очистной выработки

В работе приводятся результаты исследования задачи об опорном давлении на наклонно залегающий заглубленный угольный пласт вблизи очистной выработки.

Предположено, что в наклоннослоистом горном массиве очистная выработка прямоугольной формы длиной 2 а проведена на полную мощность (толщину) угольного пласта h_p (Рис.1.).

Рис 1. Модель породного массива с очистной выработкой.

Кровля и почва пласта моделированы слоистыми полуплоскостями 1-2 и 3-4, представляющими разнородные породы разной толщины непосредственной кровли h _кр = h ₁ и почвы h_nr = h ₂ .

Между разнородными породными слоями и угольным пластом существует жесткое сцепление.

В целях упрощения математической постановки задачи для угольного пласта принята модель Винклера, согласно которой направления пропорционально смещению. В отличие от существующих работ, посвященных подобном задачам, здесь, во-первых, коэффициенты постели Винклеровского основания предполагаются переменными по длине пласта, во-вторых, обладает разными коэффициентами при сжатии и сдвиге. То обстоятельство, что мощность угольного пласта h _р значительно меньше мощности налегающей толщи пород Н ( h _р H ) позволяет считать деформированное состояние пласта однородным по толщине; кровля и почва выработанного пространства считаются несоприкасающимся.

Рассматриваемая смещенная задача разбивается на симметричную (слоистая плоскость сжата на «бесконечности» нормальной к слоям нагрузкой р о и усилиями вдоль слоев , определяемыми согласно гипотезе А.М.Динника и в согласовании с условиями непрерывности деформации в слоистой среде) и антисимметричную (слоистая плоскость подвергнута на «бесконечности» чистому сдвигу усилиями ).

Эти задачи сводится к определению дополнительных напряжений — нормальных и касательных , действующих на слоистые полуплоскости. Для них записаны следующие граничные условия:

(1)

Здесь индекс «В» указывает на использование гипотезы Винклера. Согласно этой модели нормальное и касательное смещения пласта на контакте с полуплоскостями будут пропорциональными соответствующим дополнительным напряжениям: при

(2)

(3)

Здесь .

— монотонно убывающие непрерывные функции, характеризующие деформативность пласта по Винклеру при сжатии и сдвиге соответственно.

Выписывая функции напряжений для полос 2,3 и полуплоскостей 1,4 аналогично [3] и выражая в законе Гука деформатции через производные от перемещений, а затем, интегрируя эти дифференциальные уравнения, найдены перемещения на кромках полуплоскостей. Подставляя последние в (2), после ряда преобразований и вычислений с учетом табличных интегралов, получена система интегральных уравнений относительно искомых дополнительных напряжений и

, (4)

где — постоянные зависящие от других характеристик слоев, — гладкие интегральные функции, убывающие с возрастанием переменной У и быстро сходящиеся по переменной интегрирования в ввиду наличия множителя типа , (0 ).

Интегральные уравнения (4) выписаны здесь для симметричной задачи (сжатия). Для антисимметричной же задачи (сдвига) они имеют аналогичной вид. Система (4) решена численно.

Неупругая податливость пласта описывалась функциями:

(5)

Для оценки влияния неупругой податливости пласта варьировались . Получены графики зависимости от них опорных направлений на торце пласта, величин и координат максимальных направлений в глубине пласта.

Предлагаемая модель очистной выработки, учитывающая упруго-пластические свойства пласта, угол наклона слоев и их разнородность дала после численной реализации такие величины опорных напряжений, которые вполне согласуются с физическими представлениями об опорном давлении.

Литература

1. Петухов И.М., Линков А.М., и др. Защитные пласты.-М:Недра, 1972, 422с.

2. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов.-М:Недра, 1980, 360с.

3. Айталиев Ш.М., Туебаев М.К., Адильбеков Н.А. Об одном методе расчета напряженно-деформированного состояния пластового штрека в зоне влияния очистных работ.-Изв. АНКазССР, серия физ.-мат. №1, 1980, №3431-79, 52с.

Источник