явления (деформации, разрушения, перемещения — сдвижения пород) и обусловливаемое ими горное давление на крепи, целики и другие элементы горных выработок не получат развития. Кроме того, понятия «сила», «напряжение», «горное давление» имеют различный смысл и их нельзя смешивать. Все это и вызывает необходимость обратить внимание на неточность и неправильность их определений.
В свое время этим понятиям были даны совершенно правильные определения. Так, академик Л. Д. Шевяков [1941 r.J указывал, что «горное давление — это силы в окружающих.горные выработки цородах, при наличии которых для устранения деформаций выработки требуется возведение крепи». Проф. В. Д. Слесарев [1948 г.] также отмечал, что «горное давление есть следствие деформаций пород, существовавшее разновесие которых нарушено проведением выработок; деформации в свою очередь являются следствием напряженного состояния горных пород».
Итак, напряженное состояние горных пород в зоне влияния горных выработок проявляется в виде различных геоло-
гических явлений (см. гл. VI), а |
в закрепленных выработках |
|
в виде горного давления на |
крепь, |
целики, предохранительные |
слои и другие их элементы. |
|
|
Проблеме горного давления посвящено огромное число ра- |
||
бот в области горной науки |
и практики, перечислить которые |
|
здесь не представляется возможным. Поэтому ниже названы только наиболее известные из них. Переоценить научное и практическое значение этой исключительно интересной, сложной и важной проблемы невозможно. Однако, несмотря на то что на развитие горного давления влияют как геологические, так и горнотехнические условия, в геологическом плане это
явление изучено еще |
недостаточно. |
|
Многочисленные |
данные наблюдений, выполненных |
в раз- |
ное время на разных шахтах и рудниках, позволяют |
считать, |
|
что из геологических условий на развитие горного давления первостепенное влияние оказывают; геологическое строение
(последовательность напластования |
горных |
пород |
и условия |
их залегания), петрографический |
состав |
горных |
пород, их |
естественное напряженное состояние, физическое состояние, т. е. степень трещиноватости, раздробленности, закарстованности, наличие тектонических разрывов и нарушений, степень обводненности, физико-механические свойства и др. Это главные, ведущие геологические факторы, определяющие горное давленке и развитие его во времени, а следовательно, сложность инженерно-геологических условий.
Из горнотехнических условий первостепенное значение имеют: размеры и формы горных выработок, их назначение (капитальные, подготовительные, очистные), система, способ и скорость проходки, глубина заложения и расположение от-
носительно зоны влияния других выработок. Размеры |
зоны |
5* |
13! |
Р и с . V-8. Ф о р м и р о в а н и е |
горного |
д а в л е н и я при о б р а з о в а н и и в ы в а л о в |
в с к а л ь - |
|
|
|
н ы х и п о л у с к а л ь н ы х породах, |
|
|
а — при сочетании |
трещин; |
б — при |
сочетанвн трещнн, иоверхвостеВ слоистости н Дру- |
|
гих поверхностей |
и зон ослабления. |
Тонкие линии — трещины, поверхности |
слонстостя |
|
|
|
|
и др. |
|
ВЛИЯНИЯ горных выработок и степень нарушенности горных пород в этой зоне являются важнейшими факторами, определяющими развитие геологических явлений, горное давление и устойчивость выработок.
Разнообразие факторов, определяющих развитие горного давления, указывает на то, что по своей природе оно должно быть различным в разных геологических условиях (в разных горных породах), а также в пространстве, т. е. по контуру выработок, и во времени. При этом важно обратить внимание на следующие обстоятельства.
Практика показывает, что магматические, метаморфические и осадочные прочносцементированные горные породы, составляющие по инженерно-геологической классификации группу твердых (скальных) [19], обладающие высокими пределами упругости, общей деформации и прочности, вполне устойчивы в горных выработках. В таких геологических условиях в интервале глубин от поверхности земли до 600—700 м обычно массовых опасных геологических явлений не происходит и горное давление не проявляется в сколько-нибудь значительной степени, Горное давление в таких породах может быть следствием их упругих деформаций или образования вывалов на отдельных участках (см, гл. VI). Упругие деформации обычно малы, а главное протекают с большой скоростью. Поэтому горные породы быстро приобретают стабильное состояние, при котором горное давление уравновешено сопротивлением пород, и выработки сохраняют устойчивое состояние в течение длительного времени или постоянно.
Вывалы образуются вследствие неблагоприятной ориентации выработок по отношению к отдельным трещинам и систе-
мам трещин, поверхностям и зонам |
ослабления (рис. |
V-8). |
||
Таким образом возникают неблагоприятные |
явления |
на |
ло- |
|
кальных участках, где требуется применение |
мероприятий |
по |
||
их ограничению и управлению горным |
давлением. |
|
|
|
132
|
г^^^ |
\ |
\ |
/ |
|
|
|
|
1 J |
V • ^ 1 |
|
Рис. V-9. Формирование горного давления в сильнотрещиноватых и раздробленных горных породах,
а —Соковые породы устойчивы; б — неустойчивы; / — границы свода естественного равновесия; г —свод обрушения.
При проходке горных выработок и обнажении магматических, метаморфических и осадочных сцементированных горных пород сильно трещиноватых и раздробленных, расчлененных
тектоническими разрывами, |
принадлежащих в таком |
состоя- |
нии к группе полускальных |
по'инженерно-геологической |
клас- |
сификации [19], наблюдается нарушение их устойчивости и развитие геологических явлений. Эти явления развиваются в определенной области над выработкой, в подзоне неупругнх деформаций, за пределами которой горные породы сохраняют естественное равновесие.
Контур области пород, сохраняющих естественное равновесие, отграничивающий породы, теряющие устойчивость, обычно имеет сводообразную форму, поэтому его называют сводом естественного или разгружающегося равновесия. В его пределах проявляется «арочный эффект», т. е. происходит перераспределение и уравновешивание нагрузки вышележащих масс. Соответственно под сводом равновесия образуется свод обрушения {рис. V-9). Размеры его, высота и степень разрушенности горных пород в его пределах бывают разные, поэтому неодинаковым бывает и горное давление, так как оно определяется в первую очередь весом этих пород.
На рис. V-IO приведена схема формирования естественного свода равновесия. Для сравнения на рис. V-10, а показано направление линий главных напряжений в горных породах до проходки горной выработки, а на рис. V-10, б —после ее проходки. Область растягивающих напряжений заштрихована, породы в ней не имеют возможности сопротивляться внешним усилиям и оказывают давление на крепь выработки. Вдоль
133
Рис. V-10. Схема формирования естественного свода равновесия.
а — направление линий главлых лааряжений |
в горных |
породах до проходки горной вЫ' |
работки; б — то же, |
после ее |
проходки. |
боковых стен наблюдается концентрация напряжений, здесь
могут |
произойти |
отрыв, скалывание или |
сдвижение |
пород |
в сторону выработки. |
|
|
||
В трещиноватых и сильно трещиноватых горных породах |
||||
свод |
обрушения |
формируется в результате |
отделения |
и об- |
щего перемещения масс раздробленных пород, расположенных над горной выработкой или вдоль зон дробления. Обычно он имеет неправильное очертание, симметричное или несимметричное относительно оси выработки. Высота его в зависимости от степени трещиноватости пород бывает разная, но на отдельных участках достигает нескольких метров и даже десятков метров. В таких условиях возникает значительное и часто неравномерное по контуру горной выработки давление на крепь (горное давление).
В районах активных новейших и современных тектониче^ ских движений скальные породы нередко имеют избыточное естественное напряжение и повсеместно на глубинах более 600—700 м высокое. Образование свода обрушения в таких условиях определяется тем, что концентрация сжимающих, скалывающих и растягивающих напряжений по контуру горной выработки нередко достигает прочности пород на сжатие, разрыв и скалывание, в том числе по скрытым, закрытым и открытым естественным и искусственным трещинам и системам трещин. Разрущенные горные породы составляют массу свода обрушения. В таких условиях часто возникают различные геологические явления, и в том числе динамические и газодинамические в виде стреляния горных пород, горных уда-
ров, |
выбросов газа и угля (см. гл. VI), |
а в закрепленных гор* |
ных |
выработках — повышенное горное |
давление. Следова- |
тельно, из геологических факторов, определяющих развитие горного давления, в рассматриваемом случае являются струк- турно-тектоническое расположение месторождения, распреде-
134
ленне трещиноватости, раздробленности горных пород, тектонических нарушений, водоносность горных пород и повсеместно глубина залегания полезного ископаемого.
Горные породы, составляющие группу полускалькых по ин-
женерно-геологической классификации, |
весьма разнообразны |
по составу, физическому состоянию и |
свойствам. Многие из |
них обладают пониженными пределами упругости, общей деформации, текучести, прочности и очень часто значительной анизотропией всех этих свойств. Для большинства из них, особенно для глинистых разностей (аргиллитов, алевролитов, глинистых песчаников, мергелей, глинистых и пелитоморфных известняков), многих пирокластических пород и других, характерно развитие деформаций во времени, т. е. упруговязких и вязкопластических, обусловленных их реологическими свойствами. Разрушение таких полускальных пород обычно имеет хрупкопластнческий или пластический характер. Соответственно формирование свода обрушения в них несколько отличается от условий его формирования в скальных н полускальных сильно трещиноватых и раздробленных породах.
При обнажении полускальных осадочных пород в кровле в7з1работок под влиянием растягивающих напряжений происходят их прогибание и расслаивание. Интенсивность этих явлений возрастает с увеличением пролета выработок в слоистых, легко расслаивающихся породах, залегающих горизонтально или пологой а клонно, склонных к пластическим деформациям. Прогибанию и расслаиванию этих пород, а затем их зависанию в кровле в виде консолей способствуют существующие и вновь образующиеся искусственные трещины. В ходе пластических деформаций пород и развития определенных си-
стем трещин происходят |
их |
хрупкопластическое |
разрушение |
|||
и, наконец, опускание или обрушение. Последнему |
особенно |
|||||
благоприятствует |
образование |
глубоких трещин |
(заколов) |
|||
в горных породах, |
возникающих в |
результате их |
прогибания |
|||
и сдвижения. |
|
|
|
|
|
|
F. Н. Кузнецов |
[1948, |
1950, |
1954 |
гг.], А. А. Борисов |
[1980 г\ |
|
и другие исследователи отмечают некоторые особенности механизма деформаций, разрушения и режима нарушения устойчи-
вости горизонтально- |
и пологоз алетающих горных |
пород в под- |
||||
земных выработках. |
|
|
|
|
|
|
Над |
выработанным |
пространством |
могут |
образовываться |
||
две подзоны нарушения |
сплошности |
пород; |
а) |
первая — на- |
||
чального |
движения, |
беспорядочного |
обрушения, |
охватываю- |
||
щая период от начала подработки до первого обрушения непо-
средственной или основной |
кровли (рис. V - l l ) ; б) |
вторая — |
установившегося движения |
слоев пород, разбитых |
трещинами |
на взаимосвязанные блоки, которые закономерно опускаются над выработанным пространством без обрушения отдельных блоков по трещинам. Такие явления начинаются, как правило, вслед за первым обрушением и продолжаются до окончания
135