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
ш
Рнс. V-11. Формирование горного давления в горизонтальных и пологонаклонных слоистых толщах пород. Разрез по простиранию угленосной толщи пород (по Л. А. Борисову).
! — пласт угля: |
2 — выработанное |
пространство; 3 — породы непосредственной |
н основ- |
|
ной кровли, образующие зону |
обрушения; 4 — мульда сдвижения; В — породы |
перекри- |
||
вающей толщи, |
образующие |
зону |
опускания — оседания; 6 — э п ю р ы распределения на- |
|
|
|
|
пряжений. |
|
отработки участка. Как отмечает Г. Н. Кузнецов [1950,1954 гг.],
формирование |
подзоны опускающихся слоев над выработан- |
|||
ным пространством |
как системы |
взаимосвязанных |
блоков |
|
в обобщенном |
виде |
характеризует |
теорию образования |
обру- |
щающегося свода и консольной балки. При наклонном и крутом залегании слоев пород свод обрушения обычно приобретает неправильное очертание, а горное давление — ориентированное действие. Тангенциальная составляющая силы тяжести в таких условиях вызывает смещение, сползание пород по ослабленным поверхностям и зонам слоистых толщ.
При проходке горных выработок в полускальных породах наиболее часто возникают различные геологические явления, а также наблюдается повышенное или высокое горное давление с увеличением их глубины. Интенсивность всех этих явлений особенно повышается при неблагоприятном наклонном залегании пластов, неблагоприятной ориентировке их слоистости, поверхностей и зон ослабления, с увеличением естественной н искусственной трещиноватости пород и их обводненности, когда создаются условия для их размокания, размягчения и набухания. Распределение этих явлений по контуру выработок может быть равномерным или неравномерным, ориентированным, косонаправленным, особенно на участках, где горные выработки проведены по простиранию углевмещающих и рудовмещающих толщ. В полускальных породах, особенно в их глинистых разностях, в подзоне опорного давления наблюдаются явления взламывания н выдавливания (пучения) по
136
почве горных выработок. Так получают развитие особый вид геологических явлений в горных выработках и связанное с ним горное давление со стороны их почвы.
Таким образом, в горных выработках, проводимых в полускальных породах, из геологических факторов ведущее влияние на развитие горного давления оказывают условия залегания пород, ориентировка поверхностей и зон ослабления, естественная и искусственная их трещиноватость, петрографические особенности, физико-механические свойства и повышенная чувствительность к изменениям влажности, обусловливающая снижение их прочности и устойчивости, а также к увели-
чению глубины |
залегания, |
т. |
е. повышению |
гравитационного |
||
давления, |
напряженности, |
и |
гидростатический |
напор |
подзем- |
|
ных вод. |
|
|
|
|
|
|
Рыхлые несвязные песчако-гравийно-галечные и мягкие |
||||||
связные |
горные |
породы |
(глинистые низкой степени |
литифи- |
||
кации [19]) по сравнению со скальными и полускальными обладают малой прочностью, высокой деформируемостью и в горных выработках, как правило, неустойчивы. Геологические условия проходки горных выработок в таких породах обычно неоднородны в связи с невыдержанностью залегания по мощности и простиранию, частым переслаиванием слоев, горизонтов, залежей, линзообразных тел и т. д. На нарушение устойчивости рыхлых несвязных разностей пород во всех случаях влияет их водоносность, и тем больше, чем большими напорами обладают водоносные горизонты, зоны, комплексы, склонность их разжижаться и переходить в плывунное состояние, а на устойчивость глинистых пород — их увлажнение, особенно когда они имеют неустойчивую консистенцию.
Формирование свода обрушения в мягких глинистых породах, и особенно в рыхлых несвязных, отличается большой скоростью, причем он захватывает значительное геологическое
пространство не только над кровлей |
горной выработки, но и |
со стороны ее боков. Ширина свода |
естественного равновесия |
в таких породах значительно больше ширины пролета выработки (рнс. V-9, б), и поэтому возникает горное давление не
только вертикальное, но и |
боковое. Горное давление на крепь |
в таких породах всегда |
значительное, и тем большее, чем |
глубже расположены выработки, проходка которых обычно ведется специальными способами с применением сплошной замкнутой крепи различных конструкций и других мероприятий по обеспечению их устойчивости и безопасности производства горных работ.
В различных глинистых породах, когда концентрация напряжений в подзоне опорного давления становится значительной, нередко происходит их выдавливание—пучение по почве горных выработок. Этому способствует увлажнение, размокание, размягчение и набухание глинистых пород. Так получает развитие, как и в полускальных породах, особый вид геоло-
137
1 /
Рис. V-12. Изменение зоны влияния горных выработок и высоты свода обрушения при увеличения ширины пролета выработки (а) н при расположении в зоне ее влияния другой выработки или очистного забоя (б).
гических |
явлений |
в горных выработках |
(см. гл. VI) |
и связан- |
|
ное с ним горное давление |
со стороны их почвы. |
|
|||
Из сказанного следует, |
что геологические явления н свя- |
||||
занное с |
ними горное давление на крепи горных |
выработок |
|||
в своей |
основе |
имеет геологическую |
природу и |
непосредст- |
|
венно проявляется в результате: 1) развития упругих деформаций горных пород; 2) сдвижения и обрушения отдельных блоков пород и образования вывалов; 3) прогибания, опускания и обрушения системы взаимосвязанных блоков горизонтально- и пологозалегающих слоистых толщ пород; 4) смещения, сползания блоков наклонно- и крутозалегающих слоистых толщ пород; 5) формирования свода обрушения в любых породах, сплошность которых в его пределах сильно нарушена и сильГ внутреннего сопротивления не в состоянии уравновешивать вертикальную и тангенциальную составляющие силы тяжести; 6) гидростатического давления подземных вод, песков-
плывунов |
и глинистых |
пород неустойчивой консистенции; |
||||
7) выдавливания |
(пучения) |
горных пород |
по почве горных вы- |
|||
работок. |
|
|
|
|
|
|
Как видно, развитие горного давления |
в |
конкретных |
геоло- |
|||
гических |
условиях |
зависит |
от вида, способа, |
характера |
дефор- |
|
маций, перемещений и сдвижений горных пород при их взаимодействии с горной выработкой. Все это определяет механизм геологического процесса и соответственно вид горного
давления |
и его |
геологическую природу (табл. V-2). |
|
|
На развитие |
горного давления большое влияние оказывают |
|||
и горнотехнические факторы. Как видно на рис. V-12, а, с уве- |
||||
личением |
размеров выработки — ширины ее |
пролета |
(харак- |
|
терный параметр выработок) — увеличивается |
зона ее |
влияния |
||
и соответственно при прочих равных условиях высота свода обрушения. То же самое наблюдается при расположении гор-
138
г
ts
А
aS CLA
i
|
|
|
3n |
|
|
о |
|
|
|
tv |
|
|
|
g |
|
< |
|
a. |
ч |
a |
|
|
|
s |
|
|
с: |
|
|
|
>> |
г |
ta |
|
2. |
|
g |
e |
|
|
|
|
|
|
|
X |
в |
|
I |
CQ |
|
|
|
|
|
|
с |
? |
|
|
|
|
|
|
|
Д, |
|
|
«а |
о |
|
|
в |
|
|
|
|
я |
|
|
|
в. |
|
о
а
о.
о
S сч
X
я
3
S.
ь
о
о.С1. U
о
s
о л «>> JJ ^
s s fr- a
в
о. |
|
Л |
g |
R |
|
|
s |
|
|
Ч |
|
|
<5S |
|
13
П Р О Д О Л Ж Е Н И Е Т А Б Л . V-2 |
|
Впды проявления горного давления |
Главные факторы, определяющие развитие |
|
горного давления |
Пластические необрато- ш е мгновенные. Возникают, когда внешние усилия превышают предел упругости или прочности пород
Полускальные
Прогибания, опускания н обрушения взаимно связанных блоков пород в горизонтально- и
пологазалегающих слоистых тол-
щзх
Смещение, сползание блоков пород в наклонно- н крутозалегающих слоистых толщах
Масса вышележащих толщ горных повоп
Р а з м е р |
пролетов |
" трещинЬватость |
t-asMepH |
выработок |
Те же, а также пониженное сопротивление сдвигу горных пород по поверхностямТзонам
Смещения |
масс |
горных |
пород |
ослабления в слоистых толщах |
|
|
Б пределах |
свода |
обрушения |
Значительная |
трещиноватость, |
раздроблен- |
|
|
|
|
|
нне их силе тяжести. Размеры пролетов выпя |
||
Выдаадивание |
(пучение, |
под- |
боток, скорость |
их проходкн% K S ^ H H r * ^ |
||
|
пониженное |
сопротивле- |
||||
дуванне) горных пород по почве |
|
|||||
горных выработок |
|
|
ние пород разрушению (выдавливанию) ci^oh |
|||
|
|
|
|
ность глинистых разностей к р а з ^ ч ^ и ю ^ а з |
||
|
Вязиопластнческие |
необ- |
||
|
ратимые, |
развивагсггся во |
||
|
времени, как и упруговяз- |
|||
|
КИ6 |
|
|
|
Рыхлые |
Упругие обратимые |
мгно- |
||
облоыочк ы |
||||
венные. Имеют подчиненное |
||||
несвязные |
||||
значение |
в породах |
плот- |
||
ного сложения
меры пролетов выработок
Те же
uJx^ |
главным образом в гор- |
св^йствами'"''' |
^•'^Лающих реологическими |
Упругое разуплотнение. Имеет подчиненное значение в породах плотного сложения
|
|
П Р О Д О Л Ж Е Н И Е Т А Б Л . V-2 |
|
|
|
|
Главные факторы, определяющие развитие |
Группа пород |
Дефориацнк пород |
Виды проявления горного давления |
горного давления |
|
|
|
Рыхлые
обломочные
несвязные
Мягкие
связные
Упруговязкие. Не характерны
Пластические и вязкопластические необратимые мгновенные и развевающиеся во времени. Особенно характерны мгновенные
Упругие обратимые мгновенные
Упруговязкие обратимые. Развиваются во времени
Пластические и вязкопластические необратимые мгновенные и развивающиеся во времени. Весьма характерны
Не проявляются
Смещения масс горных пород в пределах свода обрушения или всей толщи вышележащих пород до поверхности земли
Упругое разуплотнение. Имеет весьма подчиненное значение даже на больших глубинах
Те же
Состав пород и их плотность, сопротивление разрушению, обводненность и водопроницаемость. Размеры пролетов выработок, скорость их проходки и крепления, наличие сопряженных выработок
Плотность сложения и консистенция пород; глубина расположения горных выработок; размеры свода обрушения; размеры пролетов выработок
Те же, а также скорость проходки и крепления горных выработок
Смещения масс горных пород в пределах свода обрушения или всей толщи вышележащих пород до поверхности земли
Выдавливание (пучение, поддувание) горных пород по почве горных выработок
Состав и физическое состояние горных пород, пониженное сопротивление их разрушению, склонность к гидратации и набуханию. Глубина расположения горных выработок, их размеры, скорость проходки и крепления, наличие сопряженных выработок
Опорное давление, пониженное сопротивление пород разрушению, выдавливанию, склонность к размоканию и набуханию, реологические свойства. Размеры горных выработок, скорость их проходки я крепления