ENG GEO / 1Tri / Eng Geo / Engineering Geology of MD

П Р О Д О Л Ж Е Н И Е Т А Б Л . V-L
S		Н а п р я ж е н и я . М П а
			А в т о р ы
Р а й о н ы
ч	S	о,	Ог
L.

Железорудные
месторождения				Урала
Северо-Песчаное					300	7	7.4	10,3
Гороблагодатское					170	14,6	93,8	17,3
Валуевское					60	2,9	4,9	2,1
Высокогорское					370	1	6.5	2,1
Лебяжинское					300	6.9	7,8	15,5	Н . П.		Влох
Березовское					300	16,1	41,5	5.7	А. Д ,		Сашурин
Дегтярское					430	6	49	9
Карабашское					700	16	33,5	13,2
Вишневогорское					135	12,5	18,7	17,9
Мкндянское					247	0,9	6,4	4,5
Коч карское					295	9,5	31,3	25.2	А. Д . Сашурин
	Казахстан
Джезказганское				месторо-	100		5
ждение меди,		шахта 44			240		2		Н. А. Сауков
То же,	шахта		31—32					15
Коунрадекое			молнбдено-		220	15	15
во-медное	местороладение					10	10	1	Н. Б . Ешуткин,.
То же					290
									М. Л .		Рудаков
Кузнецкий		бассейн, шах-			80	6	9,5		Ф. П. Бублик.
та «Томь-Усинская 1—2»									Г. А. Иванов
Горная	Шория.			Ташто-	385	6	9,5	9.5	С. А. Батугина.
гольское	железорудное ме-								А. Т.		Шаманская
сторождение					410	19	30		П.	В.	Егоров,
То же
									А. Т. Шаманская
Забайкалье
Дарасунское			золоторуд-		435		20,0	—	К. А. Шванев
ное		золоторудное			300	7	4,5	4,5	С.	Г.	Борисенко^
Балейское
									В. И. Тубольцев
Средняя			Азия
Кадамжайское			сурьмяно-		240	11.2	18,6	15
ртутное месторождение					330	29,3	29,6	26,8
То же
»					380	25,2	30,3	20,8	И,	Т. Айтматов,
Курусай-Таранглинское					80	4	5—6	5—6
полиметаллическое				место-					К. Д . Вдовин..
рождение					120	4 - 5	4 - 8	4—8	Н. Г. Ялымов
То Dже
					330 1 8 - 3 0		1 9 - 2 8	19—28
»					660	30—40	25—35	25—35	f

12t

		П Р О Д О Л Ж Е Н И Е Т А Б Л . V-1
			<7	Н а п р я ж е н и я , М П а
Р а й о н ы			>.				А в т о р ы
			о
			и S
Ингичкинское шеелитовое			)05	3.1	2,7	2,7	Ф. М. Арипова
месторождение
То же			• 155	7,7	3,7	3,7	Н. Т. Каримов
»			180	12,6	12,6	12,6	Л1. Ф. Иноятов.
Полиметаллические		ме-	55	3	Ь,А	5,4	А. А. Таджибаев
сторождения	Западной	Ну-
раты						12,5
Полиметаллические		ме-	120	9,4	12,5		Б . И. Туляганое,
сторождения	Центральной						М. Ф. Иноятов
Н ^ а т ы
То же			178	13,4	17,3	17.3

№ 5 И 6 (полевой откаточный штрек пласта Шз) oi оказалось равным 1,5 уИ, хотя во всех случаях измерения производились в скважинах на глубине вне зоны влияния горных выработок.

Измерения естественных напряжений в горных породах в СССР, выполненные на многих рудниках и шахтах (табл.У-!), полностью подтверждают общие закономерности их распределения, наблюдающиеся повсеместно в мире. В общем напряженное состояние горных пород в условиях их естественного залегания имеет геологическую природу и связано с существованием глобального поля напряжений, обусловленного преимущественно современным сжатием Земли. Это поле напряжений неоднородно не только по природе сил, его вызывающих (гравитационных, тектонических й др.), но и по ориентировке в пространстве его составляющих. Во многих случаях оно характеризуется значительной анизотропией горизонтальных сжимающих напряжений. Основными факторами, определяющими распределение естественного поля напряжений в горных породах, являются их структурно-тектоническое положение в земной коре, трещиноватость и выветрелость, петрографический состав, строение и фнзико-механнческие свойства. Если происходит изменение условий окружающей среды, высокие естественные напряжения в горных породах могут ослабевать (рассеиваться). При инженерно-геологических прогнозах ослабление естественных напряжений представляет определенный интерес при разгрузке горных пород, так как именно этот процесс вызывает изменение их состояния и свойств, а также деформации. Ослабление напряжений легче и быстрее протекает в приповерхностной части блоков или толщ разгружающихся пород, например в бортах и днищах речных долин, склонах горных массивов, откосах выемок, бортах карьеров, стенках и днищах котлованов, стен-

1 2 2

Рис. V-3. Изменение напряженного состояния горкых пород в зоне формирования склона ил« откоса (по В. Д. Ломтадзе).

/ - / / / —подзоны: / — разгрузки,	раауалотнення,	гидратации,		«абухания горных			пород;
// —Концентрации напряжений,	раздавливания	и	выдавливания		горных	пород:	III—
естественных напряжений, А — бровка			склона	или	откоса.

ках, кровле и почве подземных выработок и т. д. Таким образом, во многих случаях средой для карьеров и горных выработок могут служить разуплотненные породы зоны разгрузки.

123 V-2. Изменение напряженного состояния горных пород

при проходке горных выработок

Изменение напряженного состояния горных пород в бортах карьеров. Горные породы в условиях естественного залегания, как следует из приведенного выше материала, обычно находятся в том или ином напряженном состоянии, уравновешенном внутренними силами пород. Однако если происходят изменения условий окружающей среды, напряжение в породах ослабевает

(рассеивается) или	в	отдельных зонах,	участках	сгущается
(концентрируется), т. е. происходит его перераспределение.
На рис. V-3 показана		схема изменения напряженного			состоя-
ния горных пород	в зоне формирования		склона	или	откоса.
Здесь намечаются три подзоны: разгрузки, концентрации					напря-

жений и естественных напряжений. Разгрузка пород в первой подзоне вызывает в породах твердых (скальных) и относительно твердых (полускальных) раскрытие скрытых и закрытых трещин и появление новых трещин разгрузки — упругого отпора. Эти трещины всегда ориентированы неблагоприятно для устойчивости склона или откоса, поэтому по ним нередко происходят смещения пород, образование ступенчатости по склону, оползней структурного типа и обвалов.

В породах, обладающих хрупкопластическим и пластическим характером разрушения, деформации их и оползневые

явления в зоне склона или откоса развиваются несколько поиному. Так, например, разуплотнение некоторых полускальных н многих глинистых пород под влиянием упругих сил сопровождается гидратацией и набуханием. Такие изменения физического состояния пород у подошвы склона или откоса, т. е, в их упорной части, сказываются на снижении прочности пород и соответственно на устойчивости склона или откоса.

Как	видно на рис. V-3, разгрузка	и разуплотнение	пород
в подзоне, прилегающей к подошве склона или откоса,			неиз-
бежно	сопровождается концентрацией	напряжений — формиро-
ванием	опорного давления в подзоне,	прилегающей к бровке.

Это подзона, где уровень напряжений в горных породах выше первоначального естественного, суш.ествовавшего до формирования склона или строительства откоса. Если в основании склона залегают полускальные слабые или глинистые породы, прочность которых мала, в подзоне концентрации напряжений может произойти раздавливание пород, переход их в пластическое состояние и выжимание (выдавливание) из-под откоса, развитие явлений ползучести.

Все такие явления, связанные с изменением напряженного состояния пород в зоне формирования склона или откоса, являются причиной появления трещин (заколов) на поверхности земли вдоль и параллельно их бровкам и образования оползней. За пределами подзоны опорного давления в склоне или откосе в горных породах сохраняются естественные напряжения.

Коэффициентом концентрации напряжений принято называть отношение напряжений, возникших после проведения выработки или формирования склона, к первоначально существовавшему естественному. Точное численное значение его пока никем не определялось; по аналогии с подземными горными выработками оно должно изменяться в пределах от 1,3 до 3.

Следует заметить, что перераспределение напряжений в горных породах, судя по интенсивности их деформаций, образованию трещин и изменению физического состояния, наиболее су-

щественно и заметно в		искусственных склонах, т. е. в	откосах
и	бортах карьеров, которые строятся сравнительно		быстро.
В	естественных склонах	также происходит перераспределение

напряжений в горных породах, но его влияние менее заметно и менее значительно, так как оно формируется в течение геологического времени и напряжения успевают выравниваться, рассеиваться, причем происходит постепенная «адаптация» горных пород к новым условиям.

Изменение напряженного состояния горных пород, окружающих подземные горные выработки. Изменения естественных напряжений горных пород происходят и при проходке подзем-- ных выработок в некоторой окружающей их области. Характер этих изменений зависит как от геологического строения рассматриваемого участка, состояния и свойств слагающих его гор-

124

Рис. V-4. Эпюры распределения главных нормальных напряжений в прочных устойчивых хрупких горных породах после проведения горизонтальной подземной выработки.

ных пород, так и от глубины расположения выработок,		формы
и размеров их поперечного	сечения. Многочисленные наблюде-
ния и экспериментальные	исследования, выполненные	акад.

А. Н. Динником и другими [1978 г.}, показали, что в кровле и почве подземных выработок возникают растягивающие напряжения, равные

				=			и).
где Ki — коэффициент				концентрации			растягивающих напря-
жений,
В	глубь	пород, по		мере удаления от контура выработки,
эти напряжения			уменьшаются,		переходят в сжимающие (ме-
няют	знак)	и	приближаются		к	первоначальному		значению
в нетронутых породах (рис. V-4). В стенках подземных выра-
боток обычно возникают значительные сжимающие								напряже-
ния, равные
где Ki — коэффициент				концентрации			сжимающих напряжений.
По	мере	удаления		в глубь	от	контура выработки		сжимаю-

щее напряжение уменьшается до первоначального значения. Концентрация напряжений вокруг выработки ограничивается некоторой зоной, размеры которой не превышают 3—5 наибольших линейных размеров сечения выработки. На границе

125

Р и с	V-5. Схема		распределе-
ния	главных	нормальных мак-
симальных		(о),	минимальных

(б) и максимальных каса-

тельных	(б)	напряжений		в од-
нородных		горных	породах
вокруг	горизонтальной			выра-
ботки	прямоугольного			сече-
ния (по	А. Н. Дннникуидр. ^

		ЭТОЙ		зоны			концентрация
		напряжений не превышает
		2—3 % от первоначаль-
		ных.		Коэффициент						кон-
		центрации					напряжений
		обычно изменяется в пре-
		делах от 0,03 до 3.
			На рис. V-5 представ-
		лены		схемы			распределе-
		ния		главных			нормальных
		(максимальных						и		мини-
		мальных)				и	максималь-
		ных		касательных					напря-
		жений			в	однородных					и
		изотропных					горных			поро-
		дах		вокруг			горизонталь-
'mm		ной		выработки					прямо-
		угольного				сечения.					На
		схемах			поле		напряжений
		показано				линиями,				сое-
		диняющими точки,в кото-
		рых		главные нормальные
		и	касательные					напряже-
		ния		равны.			Сплошными
		линиями обозначены сжи-
		мающие					напряжения,
ФР	0,2бР	а	штриховыми — растяги-
		вающие. Цифры						у		линий
		обозначают					значения				ко-
		эффициента					концентрации
		напряжений.					Все			три
		схемы определяют							напря-
		женное			состояние				горных
		пород вокруг горной вы-
		работки.
Как видно на схемах, концентрация напряжений достигает
наибольшего значения в	углах	прямоугольной					выработки				и
в боковых стенках {/С>2).	В кровле и		почве			выработок				кон-

1 26

		и •
		М
		у УТ;
	\лал'ААЛ/
	/а!.	/	Ад.
Ркс. V-6. Эпюры распределения фактических напряжений в ослабленных гор-
ных породах после проведения		горизонтальной подземной			выработ1СИ.
! — границы	зоны влияния горнов выработки; ia		~ подзона	пониженных напряженвй;
/б — подзона	повышенных напряжения — опорного		давления;	И — зона	естественных на-
		пряжений.

центрация напряжений мала ( / « 0 , 3 ) , но они здесь имеют растягивающее направление. Так как горные породы на разрыв работают плохо (прочность скальных и полускальных пород на разрыв в 20—50 раз меньше, чем на сжатие), в почве и особенно в кровле прямоугольных выработок скорее всего появляются опасные деформации. С увеличением пролета (ширины) выработки по сравнению с ее высотой растягивающие напряжения в кровле и почве возрастают. Существенное значение при этом имеет форма поперечного сечения горных выработок. Растягивающие напряжения в кровле прямоугольной выработки максимальные; при трапецеидальной форме они почти на 30 % меньше, а при сводчатой или форме кольца исчезают. Поэтому выработки сводчатого, кольцевого и эллиптического очертаний более устойчивы, чем прямоугольные и трапецеидальные. Следовательно, устойчивость горных пород, обнаженных горной выработкой, должна определяться соотношением между напряжениями, действующими по ее контуру, и прочностью горных пород.

На распределение напряжений определенное влияние оказывает и физическое состояние горных пород по контуру выработок: их податливость (предел упругости ниже действующего напряжения), трещиноватость, раздробленность и др. Поэтому при вскрытии (разгрузке) в таких породах, непосредственно

окружающих выработку,	происходит	расслабление напряже-
ний, образуется подзона	пониженных	напряжений — пластиче-

ских необратимых неупругих деформаций пород (рис. V-6). За пределами этой подзоны от контура выработки сохраняется подзона повыщенных напряжений или опорного давления. В этой подзоне горные породы испытывают напряжения в несколько раз большие, чем вес вышележащих пород, но обычно

127

: I i i n I М

f t I t t	to^

Рис. V-7. Схема к определению напряжений горных пород вокруг вертикальной горной выработки.

128

меньшие, чем предел их упругости и предел прочности {сопротивление разрушению).

За границей подзоны опорного давления, которую нередко лазывают подзоной упругих (обратимых) деформаций, следует область пород естественных напряжений. Следовательно, внешняя граница подзоны повышенных напряжений является границей зоны влияния горной выработки. Она, как было отмечено выше, может достигать размера 3—5 наибольших поперечных сечений выработки.

Перераспределение напряжений в горных породах наблюдается не только вокруг горизонтальных и наклонных выработок, но и вокруг вертикальных. Изменения в горных породах однородных, упругих и изотропных были исследованы проф. С. Г. Лехннцким. В этих условиях в горных породах, окружающих вертикальную выработку, возникают радиальные л тангенциальные напряжения (рис. V-7), равные;

где г—радиус		сечения	вертикальной выработки; R — расстоя-
ние от оси вертикальной			выработки до рассматриваемой			точки;
— горизонтальные напряжения в горных породах					на	глубине
от поверхности земли, равные				р.)-
При	R=r,	т. е. для	точек,	расположенных по контуру вы-
работки,	а г = 0	и 01^ — 2сгх. С удалением от контура			выработки

а, увеличивается, а о^; уменьшается, асимптотически прибли-

. жается к значению естественного напряжения в нетронутых горных породах.

Таким образом, после проведения подземных горных выработок происходит перераспределение напряжений, возникает новое поле напряжений в окружающих их породах. При этом, в реальных геологических условиях, когда горные породы, окружающие подземные выработки, могут быть неоднородными, могут переслаиваться, иметь неодинаковые прочностные и деформационные характеристики и т. д., схема напряженного состояния пород может отличаться от теоретической, описание которой приведено выше. Кроме того, напряженное состояние горных пород, особенно глинистых, может существенно изменяться во времени в связи с их склонностью к реологическим явлениям под воздействием нагрузок. Все это необходимо учитывать при оценке и прогнозе инженерно-геологических условий строительства подземных сооружений на месторождениях полезных ископаемых и при их эксплуатации.

V-3. Проявление напряженного состояния горных пород

при проходке горных выработок — горное давление

Напряжение является мерой внутренних сил, возникающих в горных породах вследствие действия приложенных к ним внешних сил. Единицы напряжений тождественны единицам давления. В международной системе (СИ) основной единицей напряжений является паскаль {Па=1 Н/м^). Напряжения в горных породах могут быть нормальными, т. е. соответствовать естественному гравитационному полю напряжений Земли на рассматриваемом участке, и избыточными, т. е. более высокими, чем должны быть от веса вышележащих горных пород. Изучение распределения естественных напряжений в горных породах на месторождениях полезных ископаемых— одна из главных задач их инженерно-геологического изучения.

При проходке подземных горных выработок естественное напряженное состояние горных пород — естественное поле напряжений— изменяется, происходит перераспределение напряжений. В результате этого в некоторой области геологического пространства вокруг горной выработки возникает зона ее влияния с двумя подзонами: разгрузки и опорного давления. Оценка и прогноз зоны влияния горных выработок и опорного давления— вторая важная задача инженерно-геологического изучения месторождений полезных ископаемых, решение которой необходимо для обоснования проектов их освоения.

При проходке подземных горных выработок и разработке полезных ископаемых возникающее в конечном .итоге напряженное состояние горных пород проявляется в самых различных формах геологических явлений, которые обобщенно нами были названы деформациями, разрушениями, перемещениями

5

З а к а з

1672

1 2 9

(сдвижениями) горных пород. До проходки горных выработок силы, обусловливающие возникновение этих явлений, обычно уравновешены силами прочности пород. В геологии под внешними силами подразумевается воздействие гравитационных, тектонических и других сил на рассматриваемую область геологического пространства или на объем горных пород, вызывающее их деформации, разрушение, перемещение (сдвижение).

Силы, действующие по нормали к поверхности тела, приходящиеся на единицу площади, в физике называются давле-

нием, а	в технике — нагрузкой.		В международной системе СИ
основной	единицей	давления	является паскаль (Па), а на-
грузки—ньютон на		квадратный	метр (Н/м^).

Для предупреждения и ограничения свободы развития геологических явлений (деформаций, разрушений, сдвижений горных пород) горные выработки крепят постоянной или временной крепью различных конструкций, оставляют целики, предохранительные толщи, слои в кровле и почве и осуществляют другие мероприятия. Возникает взаимодействие горных пород (геологической среды) с горной выработкой и ее крепью. Их совместная работа обеспечивает устойчивость выработок и безопасное ведение горных работ.

Давление, передаваемое горными породами при их перемещении (сдвижении), деформациях и разрушении на крепь, целики, предохранительные слои, стенки горных выработок и другие их конструктивные элементы, называется горным давлением. Следовательно, горное давление возникает в результате взаимодействия горных пород с горной выработкой, с ее крепью. Без горных выработок о горном давлении вообще не может быть и речи, хотя горные породы всегда находятся в на-

пряженном состоянии в результате действия на них	сил раз-
ной геологической природы. Без горной выработки	отсутст-

вуют условия для возникновения деформаций, разрушений, перемещений (сдвижений) горных пород. Оценка и прогноз обусловлености горного давления, его распределения по контуру горной выработки и развития во времени являются следующей большой задачей инженерно-геологического изучения

месторождений полезных ископаемых			и обоснования		проектов
их освоения.
В	Терминологическом	справочнике		[1956 г.],	словаре
II974	г.] и некоторых других	работах	дано	следующее	опреде-

ление понятия «горное давление»: «Силы в породах, окружающих горную выработку». Такое определение нельзя считать правильным, хотя оно и дано в весьма авторитетных изданиях. Как было отмечено выше, силы могут обусловливать напряженное состояние горных пород; при проходке горных выработок в прилегающей к ним зоне горных пород может произойти перераспределение напряжений. Но, если эти напряжения булут уравновешены прочностью горных пород, геологические

1 3 0