70

Тема 3. Управление геомеханическими процессами при проведении капитальных выработок и строительстве подземных сооружений. 4 часа лекций + 6 часов лабораторных работ.

Типы проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках. Задачи управления горным давлением и основные принципы обеспечения устойчивости горных выработок. Закономерности изменения напряженного состояния приконтурного массива выработок при их различных положениях в пространстве относительно поля напряжений в массиве пород и преобладающих структурных неоднородностях. Выбор и обоснование оптимальных форм и размеров поперечных сечений, рациональной ориентации выработок. Целенаправленное изменение свойств окружающего массива. Основные типы крепей горных выработок и методы их расчёта. Основные типы крепей подземных сооружений.

3.1. Типы проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках.

Мы выделяем капитальные, подготовительные выработки и, частично, подземные сооружения, в отдельный класс геомеханических объектов по следующим факторам:

1. вследствие особенностей формы – один из размеров (длина) во много раз превышает два других размера (ширину и высоту);

2. вследствие особенностей режима проявлений геомеханических процессов – стационарность напряжённо-деформированного состояния массива вокруг этих объектов;

3. вследствие особенностей эксплуатации – достаточно длительный период существования, иногда вообще бесконечный.

Первая особенность позволяет широко применять плоские задачи для исследования напряжённо-деформированного состояния приконтурного массива, за исключением призабойных и приустьевых участков выработок. Вторая особенность обуславливает использование статических задач, а третья – применение различных (иногда достаточно дорогостоящих) мероприятий по обеспечению устойчивости приконтурного массива, включая крепи.

Геомеханические процессы в массивах пород при проведении капитальных и подготовительных выработок развиваются различным образом в зависимости от горно-геологических условий, т. е. всех определяющих факторов – свойств, структурных особенностей и естественного напряжённого состояния массива пород, а также форм сечений и размеров подземных выработок. Исходя из этого, управление геомеханическими процессами при проведении выработок осуществляется путём выбора оптимальных форм и размеров поперечных сечений выработок, их оптимальной ориентации относительно поля естественных напряжений массива пород и преобладающих систем структурных неоднородностей, а также путём выбора мероприятий по обеспечению устойчивости и, в частности, необходимых видов крепей и расчёта их параметров.

В зависимости от деформационных и прочностных характеристик пород, непосредственно примыкающих к контуру выработки, могут иметь место различные виды деформаций пород на контуре выработок или их разрушение. В разнообразных горно-геологических условиях в зависимости от свойств пород процессы деформирования и разрушения в стенках, кровле и почве выработок имеют те или иные характерные признаки и соответственно классифицируются, как различные типы проявлений горного давления.

Сразу же после образования очередного участка выработки в результате взрывания комплекта шпуров или механического разрушения вследствие воздействия рабочих органов машин породы вокруг выработки, практически, мгновенно упруго деформируются. Во многих случаях, процессы деформирования исчерпываются упругим деформированием пород, подобный тип проявлений горного давления – упругое деформирование - характерен для горных выработок в условиях высокопрочных массивов пород при невысокой степени их напряжённости. Упругое деформирование охватывает значительную область вокруг выработки, в том числе и вокруг ранее пройденной части этой же выработки на некотором расстоянии позади забоя.

Вследствие высокой скорости деформирования (приближающейся к скорости звука) упругие деформации вокруг забоя выработки успевают развиться до возведения крепи и в результате этого часто остаются незамеченными. Вместе с тем, на ранее пройденных участках выработки в случае, если они закреплены весьма жесткой крепью, дополнительные, даже незначительные, упругие деформации могут вызвать значительные разрушения. Во избежание этого жесткие постоянные крепи всегда возводят с некоторым отставанием от забоя.

При этом важно подчеркнуть, что это отставание постоянной крепи необходимо осуществлять не только с целью её предохранения от воздействия взрывных работ, если проходку осуществляют буровзрывным способом (очень распространённое мнение), но и от указанного воздействия упругих деформаций.

Фактически, выбор и обоснование величины отставания установки постоянной крепи от забоя является элементом управления геомеханическими процессами в приконтурном массиве пород.

Упругое деформирование пород в выработках иногда может завершаться интенсивным хрупким разрушением пород с выделением значительного количества энергии. Подобный тип проявлений горного давления называется динамическим.

Следует подчеркнуть, что проявления горного давления в форме хрупкого разрушения пород определяются как действующими напряжениями, так и особенностями деформирования пород.

Если действующие напряжения не превосходят определенного критического значения или же породы обладают способностью к проявлению значительных пластических деформаций, то в выработках наблюдается другой тип проявлений горного давления - пластические деформации как без разрыва сплошности (пластическое течение), так и с разрывом её, т. е. разрушение.

В случаях, когда уровень действующих напряжений вокруг выработок недостаточен для разрушения самих структурных блоков, из которых сложен массив, происходит разрушение пород в форме сдвига и отрыва по поверхностям естественных трещин или других структурных неоднородностей. Это приводит к наиболее массовому типу проявлений горного давления — образованию вывалов и заколов.

Если же породы в приконтурной области массива склонны к проявлению вязких свойств, в частности ползучести, то в выработках наблюдаются специфические типы проявлений горного давления — сближение (конвергенция) стенок выработок или почвы и кровли или пучение 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.