книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

Многие из высказанных гипотез имеют право на существование и принятие лишь в определенных условиях.

Так, например, в условиях равнинной местности при наличии породной толщи, сложенной быстрорелаксирующими разностями типа глин и отдельных аргиллитов, особенно влажных, в массиве проявляется гидростатическое (равнокомпонентное) всестороннее сжатие, численно определяемое весом вышележащих пород до зем­ ной поверхности.

В тех случаях, когда упругая нерелаксирующая порода нахо­ дится в условиях невозможности бокового расширения и постепенно спокойно пригружается (например, осаждающимися породами) на­ чальные напряжения отвечают известным соотношениям А. Н. Динника.

Имеются также примеры существования вполне или частично безраспорных массивов, сложенных прочными (в куске), жесткими изверженными неползучими породами и прорезанных незакрытыми или заполненными рыхлым веществом вертикальными трещинами в нескольких направлениях.

Сравнительно широкая, но все же частная область существова­ ния относится к «идеальным» и некоторым реальным сыпучим и «квазисыпучим» средам, напряженное состояние которых опреде­ ляется условиями их предельного равновесия в массиве [27, 38J (табл. 7).

Породы, подчиняющиеся законам линейной наследственной пол­ зучести, в определенных условиях приводят к напряженным, состоя­ ниям, характеризуемым зависимостями, полученными Ж . С. Ержановым [22] и др.

Таким образом, в земной коре существовали исторически и су­ ществуют сейчас определенные области, для которых справедливо либо одно * из рассмотренных, либо некое отличное от каждого из них напряженное состояние. И хотя перечисленные простейшие модификации напряженных состояний нетронутого массива отличны друг от друга, все они имеют один общий характерный элемент. ShroT элемент — однотипность или одностадийность физико-механи­ ческих воздействий переносимых массивом за всю историю его су­ ществования. Так, гидростатическая гипотеза предполагает, что формирующийся массив ползет и релаксирует и с ним не происходит никаких других явлений. Безраспорная гипотеза имеет в виду, что массив только монотонно остывает и растрескивается и с ним не

* Не является, однако, невозможным • совпадение результатов

различных гипотез в определенных условиях. Например, равенство нулю угла внутреннего трения приводит к гидростатическому напря­ женному состоянию среды, состояние которой в более общих случаях описывается методами теории предельного равновесия.

190

Т а б л и ц а 7

Примеры напряженных состояний нетронутого массива

Примечание. Здесь приняты следующие обозначения:

6xy5y)6z -нормальные горизонтальные и вертикальное напряжения;

%xy%XyiYCxL - касательны е напряж ения;

7Г объемный вес;

\) коэффициент Пуассона; бх*6у тектонические слагаемые горизонтальных

напряжений;

K itK fliK * коэффициенты бокового распора (для’ иаибалеч* распространенны х условий k j = I).

происходит эволюций, преобразующих горизонтальные напряжения (например, не возникают тектонические силы). Распределение на­ пряжений, соответствующее тяжелой упругой среде, требует моно­ тонного нагружения элемента, уже сформировавшегося до застыв­ шей упругой и нерелаксирующей стадии и т. д. Высказанные гипо­ тезы не рассматривают многостадийность, немонотонность горногеомеханических процессов, хотя в действительности различные возмущения процессов происходят повсеместно и почти нет усло­ вий, где бы они не происходили. Поэтому можно только говорить о том: существенны или несущественны эти возмущения для напря­ женного состояния нетронутого массива; следует их учитывать или можно ими пренебречь, когда и при каких условиях?

В качестве примера появления дополнительных напряжений в нетронутом массиве можно привести случай при неровном, напри­ мер, гористо-холмистом, рельефе земной поверхности. Напряжения под горой, под долиной и на границе между ними будут разными и не будут соответствовать ни одной из перечисленных гипотез. Но горообразовательные процессы имеют следствиями не только неровный рельеф земной поверхности, но и остаточные тектони­ ческие напряжения в породных слоях, величины которых зависят от вида, размера и скорости деформации, а также от релаксацион-. ной способности породы.

Кроме того, эти гипотезы исходят из признания нетронутого массива однородной средой. В действительности массив всегда не­ однороден, почти всегда нарушен, и это оказывает влияние на рас­ пределение в нем напряжений. Потому даже немногочисленные и не всегда совершенные в методическом отношении эксперименталь­ ные определения напряжений в массиве приводят зачастую к ре­ зультатам, не согласующимся ни с одной из высказанных простей­ ших гипотез. Измеренные горизонтальные напряжения нередко бывают больше вертикальных, кроме сжимающих встречаются да­ же растягивающие напряжения, а главное — распределение напря­ жений зачастую качественно существенно отличается от гипотети­ ческого, хотя есть много случаев удовлетворительной сходимости ожидаемых и фактических напряжений.

Отсюда следует вывод, что распределение напряжений в не­ тронутом массиве может быть самым разнообразным, в том числе —

— подобным гидростатическому, безраспорному, упругому и др. простым его разновидностям (табл. 7), каждый раз при соответст­ вующих условиях, но может и резко отличаться от них. Вот почему никакая из высказанных гипотез не объясняет и не охватывает многообразия напряженно-деформационных состояний нетронутых массивов, а имеет, в лучшем случае сравнительно узкую область применения.

192

Для того, чтобы исследователь мог охарактеризовать напря­ женное состояние нетронутого массива рекомендуется придержи­ ваться следующей примерной п о с л е д о в а т е л ь н о с т и выпол- н е н и я р а б о т .

I этап. Производится инженерно-геологическая оценка совокуп­ ности условий, характеризующих рассматриваемый типовой или конкретный массив. С этой целью осуществляется сбор, системати­ зация и анализ имеющихся сведений и материалов, а также ведутся необходимые изыскательские работы.

Методы получения инженерно-геологической информации под­ робно изложены в специальных руководствах и методических по­ собиях [14, 29]. Для прогнозов, заключений и расчетов необхо­ димо иметь:

составленный, в соответствии с принятыми в геологии правилами, геологический разрез месторождения и сводные инженерно-геоло­ гические колонки по определенным вертикальным сечениям земной кбры с изображением наблюдаемых литологических структур гео­ логических особенностей и изменениями их в пространстве;

обобщенные данные по стратиграфии, тектонике, геоморфоло­ гии и гидрогеологии (притоки, напоры, фильтрация, рельеф зем­ ной поверхности, скорости его изменения и т. п.) рассматриваемого района;

сведения о разведочных (либо иных) выработках и особенно­ стях их проведения;

результаты испытаний (по глубине) физико-механических свойств представительных разностей горных пород, в том числе: объемные веса, характеристики объемной длительной и кратковременной проч­ ности; прочностные и деформационные Характеристики при раз­

Если месторождение находится в процессе освоения и имеет достаточную сеть горных выработок, то помимо работ, предусмот­ ренных выше, предстоит провести некоторые дополнительные изы­ скания. В частности, необходимо осуществить сбор и анализ дан­ ных об особенностях поведения горных пород в выработках, исходя. из практического опыта разработки, визуальных наблюдений и простейших измерений на обнажениях.

При большом развитии горных работ (значительном количестве выработок) следует оценивать обстановку в однотипных выработках по разным направлениям (минимум по трем: одному вертикально­ му и двум взаимно перпендикулярным горизонтальным или лежа­ щим в плоскости пласта).

II этап. Разрабатывается предварительное заключение о наи­ более вероятном начальном напряженном состоянии массива.

193

На базе известных гипотез и аналитических исследований про­ водится ориентировочный подсчет начальных напряжений примени­ тельно к рассматриваемому массиву. Результаты расчетов сопостав­ ляются с данными проведенных обследований и с лабораторными исследованиями.

Наиболее характерным и широко применимым, а поэтбму и ре­ комендуемым в качестве важнейшего лабораторного критерия на­ пряженного состояния массива является определение коэффициента длительного бокового распора [43], округленного в сторону повы­ шения надежности работы рассматриваемого элемента массива и его последующее использование, в соответствии с принятой расчетной методикой.

При всех специфических случаях (гористая местность, текто­ нические нарушения) следует руководствоваться специальными расчетными методиками.

Дополнительные сведения о вероятных величинах начальных напряжений в массиве устанавливаются на основании наблю­ дений в выработках.

Так, например, подтверждением высоких напряжений в опре­ деленных зонах является разрушение выбуриваемого керна на тон­ кие части в процессе бурения скважин в этих зонах; в других слу­ чаях может отмечаться неравномерный характер деформирования обнаженных поверхностей породных стенок выработок, изломы вре­ менной крепи и другие характерные проявления горного давления.

О высоких напряжениях свидетельствуют многочисленные раз­ новидности предельных состояний элементов массива. Может раз­ виваться с различной скоростью пучение почвы, выдавливание про­ слойков, раздавливание стенок, обрушение кровли.

С достаточных глубин может начать проявляться динамиче­ ский характер хрупкого разрушения элементов массива. Могут начаться горные удары, стреляние пород, внезапные выбросы угля и газа, крупные обвалы и внезапные прорывы глин. В большинстве случаев, по анализу проявления подобных моментов и самым прос­ тейшим подсчетам можно дать оценочное заключение о характере напряженного состояния в нетронутом массиве. Об этих же яв­ лениях в прошлом может быть составлено схематическое представ­ ление на основании анализа распределения и характера трещин

вмассиве.

Витоге II этапа формулируется рабочая гипотеза о вероятном начальном напряженном состоянии массива. Хотя многие иссле­ дования и указывают на то, что при отсутствии тектонических про­ явлений в прочных породах, коэффициент бокового распора .А, близок к 0,5, а в слабых t/L = 1, это не следует принимать безого­ ворочно. В частности, нельзя ориентироваться на принятие как бы наихудших условий (полагая, например, X = 1), ибо данное поло­ жение еще не означает, что оно во всех задачах приводит к заведо­ мому запасу надежности.

194

Если тщательный анализ убеждает, что предварительная гипо­ теза вполне реальна и отвечает действительным условиям, теоре­ тическим представлениям и данным практики, то на этом работа заканчивается. В противном случае приступают к выполнению III этапа.

III этап. Составляется программа специальных исследований и осуществляются сами исследования. Натурные эксперименты до­ полняются в целесообразной мере лабораторными и аналитиче­ скими исследованиями. Схемы методических приемов для экспери­ ментального и аналитического решения данной задачи содержатся в гл. III—V, а также в пособиях и руководствах [7, 26, 44 и др.].

Особое внимание надлежит обращать на используемую изме­ рительную технику. Из всех известных методов натурного опреде­ ления начальных напряжений наиболее целесообразными для прак­ тического применения являются (см. гл. IV):

м е т о д п о л н о й р а з г р у з к и породного элемента в глубине массива на основе упругого восстановления его формы (для пород, не испытывающих заметных пластических деформаций);

м е т о д д е ф о р м и р о в а н и я с т е н о к б у р о в ы х с к в а ж и н для пород, испытывающих заметные пластические деформации ползучести;

с е й с м ч е с к и е ( д и н а м и ч е с к и е ) и с е й с м о а к у с т и - ч е с к и е м е т о д ы .

Если неизвестны направления главных напряжений, то полная пространственная картина напряженного состояния породного мас­ сива устанавливается на основании определения напряжений, как минимум, по трем взаимно перпендикулярным направлениям. * В других случаях оказывается достаточным проведение измерений по одному из известных направлений действия главных напряжений. Глубины наблюдательных участков скважин выбираются в пре­ делах не менее двух диаметров выработки, чтобы можно было пренебречь влиянием последней на начальное распределение на­ пряжений. Местное перераспределение напряжений вокруг сква­ жины учитывается соответствующими поправками на основании лабораторных опытов, аналитических исследований, специальных та­

рировок приборов и проч., например 126].

Что касается разного рода частичных, локальных разгрузок, осуществляемых на обнаженных поверхностях тех или иных поло­ стей, то при последующих пересчетах к напряжениям нетрону­ того массива необходимо привлечение дополнительных сведений о состоянии породного массива вблизи этих обнажений. В частности, должны делаться оценки глубин зон нарушенности пород (с

* Это зависит от схемы разгрузки, характера задачи и вида объек­ та (см. главу IV).

195

помощью буровых скважин, либо иных способов). Результаты исследований с помощью частичных разгрузок имеют весьма' огра­ ниченное применение для данной задачи.

П р и м о д е л и р о в а н и и основное внимание уделяется: исследованию влияния главнейших факторов (в первую очередь

— механических свойств и структурно-текстурных особенностей мас­ сивов) ;

учету действия тектонических процессов, происходящих или мо­ гущих быть в земных недрах;

оценке проявления различных второстепенных факторов дей­

пряженного состояния массива. При этом тот или иной массив под­ разделяется в случае необходимости на типовые или индивидуаль­ ные комплексы. Устанавливаются основные параметры напряжен­ ного состояния этих комплексов, указываются возможные диапа­ зоны их изменения.

В качестве примера, достаточно типичного, хотя далеко не ис­ черпывающего всего многообразия ситуаций, ниже приводится ме­ тодическая схема исследования напряженного состояния нетронуто­ го массива для некоторых распространенных геологических условий.

Равнинная местность, спокойная структура породной толщи *

П л а с т и ч н ы е р е л а к с и р у ю щ и е п о р о д ы типа влажных глин и слабых влажных аргиллитов.

Делается предположение о гидростатическом напряженном со­ стоянии. Производится лабораторное определение показателей длительного бокового распора, близость которых к единице служит подтверждением гипотезы. По возможности проводятся наблюде­ ния в выработках (проверка равномерности радиальных переме­ щений поверхности выработки).

Н е р е л а к с и р у ю щ и е (или м а л о р е л а к с и р у ю щ и е ) по­ р о д ы типа песков, кварцевых песчаников и др.

Делается предположение о горизонтальной составляющей, рав­ ной длительному боковому распору породы. Производится лабора­ торное определение коэффициентов бокового распора и показателей релаксационной способности. Ставятся наблюдения в скважинах и в существующих выработках. Составляется заключение.

Н е р е л а к с и р у ю щ и е ж е с т к и е , п р о р е з а н н ы е в е р т и ­ к а л ь н ы м и т р е щ и н а м и и з в е р ж е н н ы е п о р о д н ы е т о л ­ щи. Высказывается предположение о малораспорном (вплоть до

196

торные опыты и натурные определения в скважинах и выработках (метод разгрузки; сейсмический метод и др.). При подтверждении гипотезы делается заключение о напряженном состоянии массива.

Холмисто-гористая местность *

Р е л а к с и р у ю щ и е или с у щ е с т в е н н о н а р у ш е н н ы е п о р о д ы . Отсутствуют основания для существенных тектонических напряжений; нет практических указаний о них.

Делается предположение о неравномерном поле напряжений, отличном от чистых напряжений длительного бокового распора. Высказывается гипотеза о повышенных касательных напряжениях на границах возвышенностей и долин, об увеличении нормальных напряжений под возвышенностями и о снижении их под долинами.

Производятся приближенные вычисления напряжений в толще в зависимости от рельефа поверхности; исследования распределе­ ния напряжений на моделях из эквивалентных материалов и натур­ ное определение методом разгрузки и методом буровых скважин: В качестве эталона производятся лабораторные определения пока­ зателей бокового распора. В случае подтверждения принимается высказанная гипотеза и делается окончательное заключение о ха­ рактере и параметрах напряжений массива.

Н е р е л а к с и р у ю щ и е п ороды . Имеются сведения об оста­ точных тектонических напряжениях. (Явления «стреляния>, рассы­ пания керна, горные удары и т. п.).

Делается предположение о крайне неравномерном поле напря­ жений, вызванном, в основном, большими тектоническими дефор­ мациями нерелаксирующих (или медленно релаксирующих) пород, усиленном общегравитационным воздействием и влиянием рельефа.

Производятся приближенные вычисления напряжений в особо отвественных узлах структуры толщи (в районах складок и сбро­ сов) [23].

Проводятся лабораторные исследования полей напряжений в важнейших характерных узлах поляризационно-оптическим мето­ дом (см. гл. III).

Параллельно ведутся натурные наблюдения, в первую очередь —

— сейсмическим методом, с помощью посылки и приема серий взрывных волн в скважинах, в различных представительных на­ правлениях (простирание и вкрест него, падение, восстание, нормаль к напластованию или системе плоскостей ослабления и т. п.) и на различных представительных участках. В меру целесообразности и возможности проводятся другие натурные, лабораторные и анали­ тические исследования, в соответствии с рекомендациями, изло­ женными в- главах II—V. Заключение о поле напряжений дается на основании синтеза всех проверенных положений и рекомендаций.

* Высоты и впадины поверхности, соизмеримы с глубиной заложе­ ния'выработок или превосходят ее.

197

Анализ методик и путей решения задач по данной проблеме

щих методов и средств измерений, так и в части постановки и про­ ведения новых исследований.

В частности, подлежат улучшению методы регистрации разви­ вающихся в породном массиве разнообразных разрывов, трещин и других нарушений. Неразрушающие методы оценок напряжений, основанные на ультразвуковых, сейсмических, электрических, тепло­ вых, оптических, магнитных и т. п. эффектах, должны занять важное место в общем комплексе исследований.

Необходимо дальнейшее углубленное изучение вопросов данной проблемы методами моделирования. Весьма перспективным явится применение фотопластичности, позволяющей оценивать пластиче­ ские деформации горных пород и тем самым изучать сложные гео­ логические формации.

Должны быть существенно усовершенствованы методы испыта­ ний свойств горных пород в лабораторных и натурных условиях по установлению коэффициентов бокового распора пород (при раз­ ных напряженных состояниях), параметров анизотропии, ползу­ чести, релаксации и других необходимых показателей, свойствен­ ных реальному, а не идеализированному породному массиву.

Должно проводиться также изучение образцов пород на предмет косвенных оценок величин ранее воздействовавших на них напря­ жений.

Необходимо продолжать совершенствовать и развивать анали­ тические исследования, в том числе — задачи о нетронутых массивах, наделенных различными (известными) конечными и вероятными ис­ ходными свойствами при различных типовых комплексах внешних воздействий. Прежде всего, имеются в виду различные тектони­ ческие воздействия.

Аналитические исследования на базе механики неоднородных сред должны занять важное место в комплексных исследованиях данной проблемы, которые будут проводиться в будущем.

§ 24. Общие положения методики комплексного исследования проявлений горного давления в капитальных и’ подготовительных выработках

Основные о т л ич ия м е ж д у к а п и т а л ь н ы м и и п о д г о ­ т о в и т е л ь н ы м и в ы р а б о т к а м и с точки зрения горной геоме­ ханики заключаются в следующем:

Подготовительные выработки в период основной эксплуатации подвергаются существенному влиянию очистных работ, тогда как капитальные выработки должны быть по возможности предохране­ ны от вредного влияния последних.

198

Подготовительные выработки являются сугубо временными, срок их службы определяется временем отработки данного участка зале­ жи и изменяется в пределах от нескольких месяцев до 2—3 лет; срок службы капитальных выработок сопоставим со сроком службы шахты и измеряется десятилетиями.

Указанные отличия определяют особенности горногеомеханических процессов вблизи капитальных и подготовительных выработок и специфичность задач методики исследования проявлений горного

их охраны и крепления, позволяющих эксплуатировать их в течение всего срока службы без проведения ремонтных работ или с мини­ мальным их объемом.

Эта цель может быть достигнута путем решения ряда задач, из которых основными являются:

исследование устойчивости элементов выработок в различных горно-геологических условиях и в течение необходимого срока;

изучение механизма, закономерностей и параметров взаимодей­ ствия массива пород с крепью выработок;

разработка рациональных методов управления горным давле­ нием, то есть направленного перераспределения напряжений и де­ формаций вблизи выработок путем рационального механического воздействия на массив пород, окружающих выработку, или искус­ ственного изменения его свойств *;

разработка требований к рациональным механическим характе­ ристикам крепи, а также — принципиальных схем и способов креп­ ления;

разработка методик расчета крепи.

эффективных способов охраны этих выработок от вредного влияния очистных работ, при котором суммарные, зависящие от него, за­ траты по шахте (включая ремонтные работы) являются наимень­ шими.

Главные задачи исследования в подготовительных выработках следующие:

изучение механизма, основных закономерностей и определение параметров влияния на подготовительные выработки очистных ра­ бот; определение устойчивости элементов выработок в этих условиях;

* В этот комплекс входят и меропрняти по рациональному распо­

ложению, эффективной охране выработок, изменению свойств масси­ ва за счет осушения, цементации, замораживания и т. д.

199,