Главная | Новости | Аналитика | Служба поддержки | Контакты | О нас

ПАРТНЕРЫ Научно-исследовательские институты Горнодобывающие предприятия Общественные организации Учебные заведения СОТРУДНИЧЕСТВО Учебники Методички Информационное Исследовательское Журналы Авторефераты Синергетика в управлении массивом Методики оценки прочности пород

СОБЫТИЯ


образовательные

научные производственные

КОНКУРСЫ


гранты стипендии премии награды

призы программы обмены студии

тренинги стажировки летние школы

ФОТОГАЛЕРЕИ


научно-образовательные и горнодобывающие центры Украины

КОНТАКТЫ


koordinator_rudana
analitik_rudana
tehnolog_rudana
consultant_ua
gemmolog_rudana
innovacii_rudana
filolog_rudana
secretar_rudana


ПРОГРАММЫ

ССЫЛКИ


Главная   

Образовательно-научно-производственный портал «Рудана»

Возникновение теоретических представлений о горном давлении

О.Е. Хоменко, В.Ф. Лавриненко

автор: Олег Хоменко

Что такое горное давление?

 

Одновременно с накоплением практических данных о проявлениях горного давления в шахтах развивалась теория о напряженном состоянии сыпучей и сплошной сред. Практика возведения сооружений в сыпучих и мягких породах в своих расчетах основывалась на теории Кулона о давлении грунта на подпорную стенку. В дальнейшем теория Кулона использовалась для расчета вертикального и горизонтального давлений в сыпучей, то есть несвязанной среде.

 

Первую научную гипотезу о силах, действующих в нетронутом скальном массиве пород, обосновал в 1878 г. швейцарский геотектоник А. Гейм. Давление пород, по Гейму, есть не что иное, как тяжесть толщи пород. Давление в нетронутых массивах действует по всем направлениям гидростатически и по абсолютной величине. Гипотеза А. Гейма о напряжениях в ненарушенном скальном массиве на протяжении прошедшего столетия не была опровергнута и находит отражение в трудах известных в области механики горных пород специалистов – С.Г. Авершина, М. Талобра, Л. Мюллера и других.

 

В 1899 г. немецкий инженер-маркшейдер В. Тромпетер опубликовал работу, в которой высказал предположение о существовании вокруг горной выработки трех зон с различным уровнем напряженного состояния пород. По В. Тромпетеру непосредственно к выработке примыкает зона массива, разгруженная от естественных напряжений, в пределах которой происходит обрушение пород в объеме свода устойчивого равновесия. Эту зону В. Тромпетер назвал зоной пониженного давления. Он считал, что напряжения в этой зоне значительно ниже имевшихся в массиве до проходки выработки.

 

Вторая зона, обволакивающая первую, является зоной повышенного давления. В. Тромпетер считал, что эта зона воспринимает на себя давление всей вышележащей толщи пород и защищает выработку. Основанием для этого вывода послужили наблюдения за сводообразованием в окружающем выработку массиве и почти постоянная величина давления на крепь пород, заключенных в объеме свода, выполненная для одних и тех же пород.

 

Третья зона – зона упругого состояния пород. Она ограничивается предельной поверхностью влияния выработки, являющейся геометрическим местом точек, в которых напряжения отличаются от начальных напряжений, то есть до проходки на бесконечно малую величину. Вглубь от этой ограничивающей поверхности третья зона по уровню напряженного состояния соответствует ненарушенному массиву пород.

 

Качественное объяснение В. Тромпетером закономерностей формирования напряженного состояния пород вокруг горной выработки было первым серьезным вкладом в последующее развитие теории горного давления. Зоне пониженного давления, охватываемой процессом сводообразования, было присвоено имя В. Тромпетера.

 

За последние три с половиной десятилетия XIX века появилось множество различных теорий, посвященных расчету горного давления на крепь выработок и оценке устойчивости обнаженных пород. Одной из первых в 1867 г. была опубликована теория Шульца, рассматривающая пласт породы в кровле выработки или очистного пространства как изгибающуюся балку. Однако Шульц решает задачу лишь для отдельного упругого слоя, то есть непосредственной кровли угольного пласта, хотя в натуре имеется значительное количество залегающих один над другим и не связанных между собой слоев пород – ложная кровля, пласты-спутники и др.

 

Интересное аналитическое решение задачи об обрушении породы в кровле горизонтальной выработки предложено в 1879 г. В. Риттером. Автор исходил из известного факта о том, что в породах кровли, имеющих некоторое сцепление между частицами, под влиянием собственного веса стремится оторваться и упасть в выработку сводообразный объем породы. 3адача сводилась к определению уравнения кривой отрыва и давления на крепь. Следует указать, что основной недостаток в решении В. Риттера заключается в коэффициенте К, имеющем размерность в метрах. Его физический смысл остался невыясненным и самим автором теории. Кроме того, решая задачу для связных пород, В. Риттер не учитывал структурное ослабление массива. Не отражено в теории и влияние глубины разработки на параметры процесса сводообразования.

 

В 1882 г. Энгессер выполнил лабораторные исследования сводообразования в сыпучих телах. Он считал, что в таких телах самостоятельно образуется разгружающий давление свод. Если бы этот свод состоял из настоящих пород, то он принял бы на себя все давление вышележащей толщи и на его внутреннюю поверхность никакого давления не должно быть. Но поскольку в действительности свод этот состоит из отдельных частиц, не связанных одна с другой, то сдвигание частиц вниз возможно, если только не воспрепятствовать ему специальными вертикальными силами, пусть на единицу горизонтальной проекции, приложенными к нижней поверхности свода. Отметим, что Энгессером впервые установлено – сводообразование в массе сыпучего возможно лишь при определенной высоте материала. Если толща сыпучего материала недостаточна, то есть отношение высоты слоя к ширине выработки меньше 3–4, на крепь давит весь столб породы. При большем отношении высоты толщи пород к ширине выработки в ее кровле образуется разгружающий свод.

 

В 1885 г. появилась имеющая важное значение работа Фейоля, не содержащая никакой математической теории, но заключающая в себе описание многочисленных лабораторных опытов и данных непосредственных наблюдений в шахтах, раскрывавших качественную картину происходящих явлений. Автор исследует прогибание пластов пород кровли в очистное пространство и устанавливает закономерность этого процесса. Он впервые показал различие в расслоении и прогибе пластов пород, находящихся на различном удалении от кровли. Были исследованы вопросы разрыхления и уплотнения глин, сланцев, песчаника и угля при возрастающем давлении. Если глина при сжатии до 100 МПа непрерывно уменьшается в объеме, то сланец уже при давлении 10 МПа увеличивается в объеме на 28%, песчаник – на 36%, а уголь – на 30%. Дальнейший рост давления сопровождается уменьшением объема пород.

 

На большом количестве моделей Фейоль исследовал процесс обрушения вмещающих пород по мере отработки горизонтальных, наклонных и крутопадающих залежей. Результаты моделирования в большой мере соответствовали натурным наблюдениям и измерениям, и являлись основой для теоретических исследований многих ученых. Попытку определить высоту свода по прогибу слоистой кровли выработки предпринял в 1912 г. Коммерель. В основу теории Коммереля положен факт образования над выработкой свода устойчивого равновесия, внутри которого порода растрескивается и разбивается на куски. При этом увеличивается объем, ибо порода в массиве занимает меньший объем, чем после разрушения. Теория Коммереля проста, однако пользоваться ею весьма затруднительно, так как надо иметь уже пройденную выработку и измеренное провисание кровли. Для проектирования проходки и крепления выработок теория Коммереля непригодна.

 

В 1908–1910 гг. А. Леон дал строгое математическое решение задачи о распределении напряжений вокруг выработки круглого сечения, пройденной в упругой горной породе. Он рассматривает бесконечно простирающийся во все стороны сплошной слой упругого тела. Из теории А. Леона следует, что образование горной выработки вызывает изменение напряжений в массиве по всему ее периметру, то есть в боках, почве и кровле. Дальнейшему развитию теории горного давления способствовали выполненные в 1915 г. исследования Ф. Левинсон-Лесинга и А. Зайцева на оптико-поляризационных материалах характера распределения напряжений вокруг выработок сводчатых, арочных, подковообразных, круглых и эллиптических форм. Все формы отверстий вызывают, как и в теории А. Леона, значительные диагональные, скалывающие напряжения. Наибольшие напряжения возникают по бокам отверстий-выработок, то есть в плоскости, перпендикулярной к направлению действия большего нормального напряжения, наименьшие – в направлении действующего усилия. Опыты свидетельствуют, что сравнительно небольшие напряжения возникают в боках выработок овальной, эллиптической и подковообразной форм, длинная ось которых ориентирована в направлении действующего усилия. Весьма большие напряжения возникают в боках выработки в том случае, когда форма отверстия вытянута в поперечном направлении к действующему усилию.

 

Опыты Ф. Левинсона-Лесинга и А. 3айцева наглядно проиллюстрировали зависимость уровня напряженного состояния пород от формы поперечного сечения выработок. Этот результат широко используется при проектировании туннелей и других ответственных подземных сооружений. Вполне строгая теория А. Леона, подтвержденная опытами Ф. Левинсона-Лесинга и А. Зайцева, по мнению М.М. Протодьяконова, нисколько не продвинула вперед вопроса о давлении на крепь, так как она рассматривает лишь напряжения в самих породах. Основным положением этой теории является то, что радиальное давление по периферии выработки равно нулю, то есть, давления на крепь при этом нет. Однако повседневная рудничная практика свидетельствует, что крепь испытывает значительное давление.

 

С 1908 по 1912 г. професором М.М. Протодьяконовым была создана и проверена опытным путем теория давления пород на рудничную крепь. Автор предварительно выполнил обстоятельный анализ известных теорий горного давления и дал им объективную оценку. Так как форма свода определена и в условии собственного равновесия, то вся вышележащая толща пород давить на крепь уже не может. Крепь испытывает лишь давление пород, обрушившихся в пределах свода, исходя из площади параболы и объемной массы породы. Согласно теории М.М. Протодьяконова высота свода и давление на крепь не зависят от глубины заложения выработки. Однако этого практика не подтверждает. М.М. Протодьяконов понимая это и указывал, что на больших глубинах и кривая свода должна быть иной, и высота сводов принципиально должна зависеть от глубины. Работы М.М. Протодьяконова играют значительную роль в расчетах крепи для шахт до 150–200 м. На глубинах 500–700 м различие в рассчитанных по его формулам значениях высоты свода, непосредственно измеренных в шахтах, становится весьма существенным. Кроме того, предложенные формулы пригодны лишь для одиночных выработок и не решают проблему давления на крепь приемных горизонтов блоков и очистных забоев, а также очистных заходок и лав при отработке пластовых месторождений соли, марганца, угля и др.

 

Значительным достижением в развитии теории горного давления явилась разработка в 1925 г. А.Н. Динником новой гипотезы о напряженном состоянии нетронутого массива пород. Гипотеза А.Н. Динника отличается от гипотезы А. Гейма тем, что горизонтальное напряжение не равно вертикальному и составляет, лишь какую-то часть последнего. М.М. Протодьяконов считал, что теорией А.Н. Динника можно пользоваться лишь для определения напряжений в массиве пород до проведения в нем горной выработки. По его мнению, теория А.Н. Динника непригодна для расчета нагрузок на крепь. Появление теории А.Н. Динника было вызвано острой практической необходимостью решения с достаточной степенью приближения сложных практических задач горного дела, связанных с разрушением крепи выработок и очистных забоев горным давлением, деформированием рудных целиков и обвалами массива в камерах, стрелянием пород и горными ударами на глубоких горизонтах шахт. Для решения таких задач требуется знание истинного уровня напряженного состояния переднего массива на различных глубинах и закономерностей физических процессов, протекающих в породах.

 

Что? Где? Когда?

НЕ  ВСЕ  ТЕОРИИ  ВЕРНО  ОТОБРАЖАЛИ  СОСТОЯНИЕ  МАССИВА

Сделать стартовой
Добавить в избранное
Поиск по порталу
Поиск по заглавиям, описаниям, ключевым словам страниц
Поиск по заглавиям, описаниям, ключевым словам и телу страниц
Новости

07.11.12
Пополнение библиотеки портала «Рудана»
Вышло из печати новое учебное пособие (Физико-химическая геотехнология / Н.М. Табаченко, А.Б. Владыко, О.Е. Хоменко, Д.В. Мальцев – Д.: НГУ, 2012. – 310 с.). Рецензентами выступили М.С. Четверик, доктор технических наук, старший научный сотрудник, профессор, заведующий отделом геомеханических основ разработки месторождений ИГТМ им. Н.С. Полякова НАН Украины и В.В. Цариковский, доктор технических наук, старший научный сотрудник, заведующий отделом подземных горных работ и геомеханики ГП «Научно-исследовательский горнорудный институт».


Аналитика

Е.В. Балацкий
Прикладная фундаментальность. Теоретические пузыри на рынке научных исследований
В настоящее время происходят колоссальные изменения в сфере науки и инноваций. Если раньше считалось, что в начале инновационного цикла стоят фундаментальные исследования, а прикладные разработки завершают его, то сегодня это представление, по-видимому, устарело и постепенно отмирает. Что же приходит на смену указанному представлению?

Ответы на Ваши вопросы
Будьте в курсе всех новинок портала
Подпишитесь на рассылку
E-mail:
  Подписаться
Сообщить о неточностях
на сайте

?????????????-?????????????? ????? «Seminar»

Контактные лица по проекту:

Олег, e-mail: koordin@rudana.in.ua

Наталья, e-mail: romah-v@mail.ru

Page Rank Icon Rambler's Top100
Дизайн и поддержка: http://inter-biz.info/
Программирование: Пуляев Ю.А.