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

массивов и слагающих их пород следует обязательно учитывать в предстоящих исследованиях и с какой степенью полноты, а какие можно опустить с уверенностью, что их неучет не сможет исказить результат аналитического решения поставленной задачи.

Например, анализируя вопрос о реологических свойствах мас­ сива, необходимо провести сравнение их показателей с соответ­ ствующими показателями при «условно-мгновенном» нагружении [40, Крупенников]. Если пренебречь данным свойством нельзя, то дополнительно надо ответить на вопрос: в какой форме требуется учет этого реологического свойства? При малосущественном про­ явлении свойства иногда достаточно бывает, не меняя механи­ ческой модели среды (например, упругого тела) изменить только его количественную характеристику (например, ввести уменьшенный модуль пропорциональности) и считать тело квазиупругим. Если же реологическое свойство проявляется существенно, его учет, оче­ видно, должен быть проведен в полной мере, т. е. механическая модель должна быть приведена в соответствие с действительными свойствами тела и должна быть описана надлежащим уравне­ нием состояния. В упомянутом примере имеется в виду упруго­ ползучее тело [30].

Наряду с накоплением запаса экспериментальной информации о реологических свойствах пород, полученной по лабораторным ис­ пытаниям образцов, необходимо ввести, как непременное условие обеспечения эффективных комплексных исследований — оценку рео­ логических свойств рассматриваемых массивов горных пород как реально сформировавшихся монолитных или агрегатных тел.

При выборе рационального метода для аналитического реше­ ния горногеомеханических задач необходимо предварительно вы­ яснить совокупность воздействий, которым подвергается массив, охарактеризованный выше, находящийся в определенном исходном со­ стоянии [30]. Эти воздействия делятся на естественные и произ­ водственные:

А. Группа естественных воздействий на массив

история формирования массива (для осадочных — накопление осадков, погружение, литификация и последующее поднятие и раз­ мыв) ;

пригрузки земной поверхности, вызванные весом гор и холмов; тектонические напряжения; напоры подземных вод;

суточные и другие движения земной коры вследствие «приливноотливных» возмущений, вызванных притяжением космических тел; колебания участков земной коры (вследствие землетрясений); температурные напряжения, связанные с пониженными или повышенными температурами и их периодическими или апериоди­

ческими градиентами; прочие естественные воздействия.

170

п л е к с о в г о р н ы х р а б о т на о к р у ж а ю щ и е п о р о д н ы е м а с с и в ы г о р н ы х п о р о д р а з л и ч н ы х с т р у к т у р и с в о й с т в , н а х о д я щ и х с я в р а з л и ч н ы х и с х о д н ы х со­ с т о я н и я х и п о д в е р г а ю щ и х с я р а з л и ч н ы м к о м п л е к ­ с а м т и п о в ы х и к о н к р е т н ы х в о з д е й с т в и й .

Сюда относятся задачи о перераспределении напряжений и де­ формаций вокруг одиночных выработок и вокруг комплексов выра­ боток: выяснение дальнодействия горных работ, установление зон опорного давления, разгрузки, сдвижений и разрушений массивов; определение очертаний и размеров защищенных зон при разработ­ ке сближенных пластов; определение оптимальных размеров предо­ хранительных целиков и т. п. В эту группу входят задачи об изу­ чении распространения волн напряжений, вызванных массовыми и местными взрывами и о влиянии этих волн на различные подзем­ ные и наземные объекты, в том числе — на поверхности горных выработок.

Задачи этого рода также решаются с учетом различия естест­ венно-геологических и производственно-технических условий, в том числе — влияния стадийности изучаемых процессов.

Для решения аналитических задач горной геомеханики приме­ няются следующие и с с л е д о в а т е л ь с к и е методы:

м е х а н и к и с п л о ш н о й с р е д ы — теории упругости, пластич­ ности, предельного равновесия, ползучести, гидромеханики, аэро­ механики и их сочетания в различных задачах упруго-пластических упруго-вязких: вязко-пластических и т. п.;

173

м е х а н и к и д и с к р е т н о й . с р е д ы (в том числе, раздельно­ блочной и раздельно-зернистой);

ве р о я т н о с т и о-с т а т и с т и ч е с к и е ;

ва р и а ц и о н н ы е ;

ин ж е н е р н ы е .

Определения и основные черты этих методов неоднократно и обстоятельно расшифровывались в литературе [18, 19, 55 и др.]. Здесь уместно упомянуть лишь о том, что инженерные методы, обычно, используют для решения задач горной геомеханики вспо­ могательные частные гипотезы и закономерности, найденные из производственного опыта или специальных экспериментов, в соче­ тании с общими положениями теоретической или прикладной ме­ ханики: сопротивления материалов, строительной механики и т. п. [7, 32, 47 и др.].

Работа по мотивированному выбору конкретного исследователь­ ского метода для аналитического решения поставленной горногеомеханической задачи состоит из двух этапов.

Впервом из них выполняются следующие операции:

а.Инженерный анализ условий задачи (отнесение задачи к определенному классу, охарактеризованному в п. 3 настоящего па­ раграфа на основании рекомендаций литературных источников, рас­ смотрения технической документации, данных инженерно-геологи­ ческой разведки и имеющегося производственного опыта). Пред­ варительное заключение из анализа.

б. Обследование на местности действующих и проходимых вы­ работок (если они имеются) в изучаемых или в сходных с ними условиях. Выделение характерных типичных и специфических осо­

бенностей горногеомеханических процессов в натурных условиях. в. Сбор, обработка и анализ результатов имеющихся и поста­ новка (по мере необходимости) новых лабораторных исследований физико-механических свойств'пород, составляющих данный массив и условий на контактах между слоями и другими отдельностями

массива, в том числе на поверхностях трещин.

г. Проведение, в случае возможности и необходимости, мини­ мально потребного комплекса дополнительных или проверочных натурных наблюдений и экспериментов — например, по ориентиро­ вочному определению величины первого предельного пролета непо­ средственной или основной кровли лавы.

и предвидимых воздействиях на массив; об ожидаемых результатах этих воздействий и необходимых доисследованиях недостаточно выясненных вопросов.

Во втором этапе проводится постановка задачи исследования (см. § 19), полный анализ условий и мотивированный выбор ра­ ционального аналитического метода для решения поставленной задачи.

174

е. Анализ вопроса о характеристике области (или областей) подлежащих исследованию и об ее эффективном описании, об упо­

рядоченной или беспорядочной однородности (квазиоднородности или существенной неоднородности) среды; ее сплошности (соответ­ ственно, квазисплошности или существенной дискретности), изотроп­ ности и о прочих существенных структурных особенностях; о рео­ логической модели среды и существенности в ней временных эле­ ментов и явлений (ползучести, релаксации); о механических (проч­ ностных и деформационных) свойствах в куске и массйве; об ис­ ходном (начальном) напряженном и деформированном состоянии,

— в соответствии с рекомендациями настоящего параграфа. В част­ ности, обязательны аргументированные ответы на следующие воп­ росы:

1) однороден, квазиоднороден или существенно неоднороден данный массив?

2)является ли массив сплошным, квазисплошным или сущест­ венно дискретным телом?

3)существенны ли для массива в условиях воспринимаемых им или ожидаемых воздействий и в определенной конкретной об­ становке проявления временных явлений? Например, в долговре­ менных капитальных выработках явления ползучести и релаксации напряжений существенны почти всегда. В кратковременных очист­ ных (или связанных с ними подготовительных) выработках эти процессы существенны лишь в некоторых случаях, а при динами­ ческих воздействиях, наоборот — почти всегда несущественны.

л4) можно ли принимать, что в интересующей области и в рас­ сматриваемый период существенно преобладают деформации ка­ кой-либо определенной природы: напр., упругие, пластические, пол­ зучие или в разные периоды времени между точками достижения некоторых предельных состояний преобладали различные виды или сочетания видов деформаций, т. е. процесс является механически многостадийным и каковы характерные признаки различных пе­ риодов?

5)справедливы ли для интересующей области массива, в об­ становке рассматриваемой задачи, гипотезы «малости», «линей­ ности» деформаций и других характерных признаков свойств пород?

6)прочие вопросы, ответы на которые могут способствовать мотивировке объективного выбора рационального исследовательско­ го метода для решения поставленной задачи.

Для ответа на эти и возможные другие вопросы, привлекаются, кроме упомянутых в данном параграфе приемов, также другие показатели и характеристики, в частности:

а.Действующие в условиях данной задачи средние и мак­ симальные напряжения (исходя из глубин разработки и предпола­ гаемых коэффициентов концентрации напряжений), в сопоставле­ нии с условиями перехода пород в предельные состояния.

175

б. Соотношения характерных размеров интересующей области и рассматриваемого массива или его участка, а такж е— размера объекта и размера элементарной частицы породы [55].

в. Результаты лабораторных и натурных испытаний механи­ ческих свойств пород, влияние «масштабного эффекта» и т. п.

г. Величины и распределения происходящих в натуре деформа­ ций, перемещений, разрушений массивов.

д. Степени свободы перемещений элементов массива; развивае­ мые при этом сопротивления взаимодействующих частей.

На основании приложения сформулированных выше критериев и совместного анализа характеристик происходящих процессов, могут быть с достаточной степенью надежности обоснованы мотивы выбора и произведен самый выбор рационального исследовательско­ го метода для решения поставленной задачи. В частности:

а. Если установленный выше критерий однородности существен­ но не выполняется — при решении задачи учитывается неоднород­ ность массива с отдельным определением свойств областей, прини­ маемых однородными (например, литологически однотипных) и исследованием граничных условий на контактах.

б. При выполнении массивом критериев сплошности или квази­ сплошности к исследованию привлекаются соответствующие мето­

да механики сплошной среды.

Вслучае существенной несплошности массива, последний при­ нимается дискретным телом и относится к объектам, исследуемым методами:

механики раздельно-блочной среды, при условии достаточно больших, соизмеримых с размерами интересующего объекта (напр.

— выработки) размеров блоков; механики раздельно-зернистых сред, при условии пренебрежимо-

малых средних размеров несвязанных друг с другом недеформируемых частиц, в сравнении с размерами выработки.

чаях, когда материал сплошного (квазисплошного) массива рабо­ тает при напряжениях, не достигающих отчетливо выраженного предела упругости. * Такие случаи довольны часты, особенно в узких одиночных выработках, пройденных в достаточно прочных

упругих породах Доноасса. Караганды, Урала и других бассейнов пя глубинах до 500— 1000 м. Однако, есть и еще множество других

* Так как горные породы (и не только они) проявляют в какой-то мере способность неупругого (остаточного) деформирования уже при малых напряжениях, под «пределом упругости» будет пониматься напряжение, при котором кривая «напряжение-деформация» имеет наибольшую кривизну.

176

примеров вполне упругой работы элементов массивов, в частности, потолочин и целиков при камерных системах разработки рудных месторождений в прочных и весьма прочных породах.

Следующим, достаточно широким направлением рационального приложения теории упругости является работа массива в условиях весьма стесненного (практически, «запрещенного») перемещения, например, в глубинных зонах массивов (в частности, в «нетронутой» массиве). Кроме того, чрезвычайно обширную область применения теории упругости представляют собой так называемые «упруго­ пластические» задачи, в которых рассматривается взаимодействие зон, претерпевших неупругое деформирование, с зонами массива, продолжающими работать упруго.

Наконец, четвертым важным направлением эффективного при­ менения линейной теории упругости в горногеомеханических зада­ чах является круг вопросов, связанных с так называемой «линей­ нойнаследственной ползучестью» в концепциях школы Ю. Н. Ра-

жет быть сделана на основе учета преобладающих характеристик деформаций в соответствии со следующими схематичным рассужде­

породы в диапазоне реальных напряжений массива в условиях данной задачи, то:

2) методы «чистой» теории пластичности приложимы при выпол­

Методы «упруго-пластически-ползучих» и т. п. сред могут быть применены при условии, когда величины какой-либо пары или всех трех средних приблизительно одинаковы:

уп р угого и н еуп р угого деф орм ирования.

177

4) методы теории упругости с поправкой модуля пропорцио­ нальности на малосущественные остаточные «условно-мгновенные» и длительные деформации — при

Методы теории пластичности споправкой показателей на мало­

существенные упругие и «условно-мгновенные» остаточные дефор­ мации — при

превышает вероятный разброс деформации &_ , но меньше ее мак­ симального разброса

Наконец, знак ~ (приближенно равно) относится к случаю, когда средняя деформация £е лежит в пределах вероятного раз­ броса деформаций

Подобным же образом может производиться выбор других ме­ тодов исследования.

Целесообразность применения инженерных методов определяет­ ся, преимущественно, достоинствами найденных экспериментальных закономерностей, используемых при решении аналитических задач для сравнительно узких диапазонов частных условий.

Кроме указанных критериев, исследователь может привлекать любые другие рациональные приемы и подходы длявыбора тех или иных исследовательских методов, однако аргументируя каждый раз мотивы такого выбора и подтверждая их целесообразность экспериментально в доступных условиях и в меру необходимости.

178

Методы теории предельного равновесия применяются для реше­ ния задач горной геомеханики, преимущественно относящихся к многостадийным процессам. В таких случаях проявления горного давления на границах раздела стадий деформирования элементов массивов, приобретают качественные изменения: упругие деформа­ ции сменяются пластическими или ползучими, либо происходит разрушение элементов массива. и дальнейшее их деформирование уже как псевдопластических тел.

Одним из центральных вопросов при этом является вопрос об устойчивости механических систем в этих переходных точках к вблизи них, особенно — об устойчивости элементов массива, непо­ средственно окаймляющих различные горные выработки, как неза­ крепленные, так и закрепленные. К числу таких элементов отно­ сятся: кровли, почвы и бока капитальных и подготовительных вы­ работок; стенки вертикальных стволов, целики, потолочины и поч­ вы камер; борты карьеров и откосы отвалов, а также взаимодей­ ствующие с ними элементы различных сооружений, в том числе крепи выработок. Сохранение или потеря устойчивости этих эле­ ментов связаны с ненаступлением или, наоборот, реализацией пре­ дельных напряженных состояний, предопределяющих обрушение кровли или пучение почвы, оползание боков и другие виды крити­ ческих деформаций.

Общая горногеомеханическая схема задач теории предельного равновесия заключается в определении критической величины не­ которого реального воздействия, при которой данная механическая система еще сохраняет устойчивость, но малейшее превышение ко­ торой уже приводит к потере устойчивости.

Примерами таких критических значений механических воздей­ ствий являются: «предельный» пролет кровли очистной или под­ готовительной выработки, при превышении которого происходит обрушение; «предельная» глубина устойчивого состояния стенок незакрепленного вертикального ствола; «предельный» угол заоткоски борта карьера, т. е. наибольший возможный угол наклона, при котором борт еще устойчив; «критическая» глубина разработ­ ки— наибольшая в данных условиях глубина, в которой еще не проявляются горные удары; «шаг посадки» кровли лавы, принимае­ мый ббльшим чем «предельный» вылет консоли еще сохраняю­ щей устойчивость; требуемая «предельная» реакция крепи, обеспе­ чивающая ненаступление или нераспространение предельного со­ стояния взаимодействующих с ней элементов массива и много дру­ гих, практически важных величин. Последние, обычно, выби­ раются из числа регулируемых человеком параметров, с помощью которых можно направленно видоизменять напряженное состояние в определенной точке, вдоль определнной линии (например, линии

179