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

ПАРТНЕРЫ Научно-исследовательские институты Горнодобывающие предприятия Учебные заведения Общественные организации СОТРУДНИЧЕСТВО Исследовательское Методички ПР №3 ПР №1 Список литературы ПР №5 ПР №4 ПР №2 Информационное Журналы Учебники Авторефераты Методики оценки прочности пород Синергетика в управлении массивом

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»

Физические процессы, протекающие в окрестности горных выработок

О.Е. Хоменко, В.Ф. Лавриненко

автор: Олег Хоменко

Физика процесса - смысл явления

 

Уже в 1925 г. ученые понимали, что уровень напряженного состояния нетронутого массива пород – первопричина всех последующих изменений в нем, имеющих место при производстве горных работ, то есть сводообразование, обвалы боковых стенок выработок, пучение почвы, разрушение целиков, стреляние пород и горные удары. Рассмотренные далее наиболее ранние гипотезы свода, балки и другие не объяснили природу и закономерности проявления естественных сил в породном массиве. Таким образом, требовалось, прежде всего, решить наиболее важную научную задачу – установить природу и напряжения в нетронутом массиве пород.

 

С 1925 по 1938 г. накапливались опытные данные о проявлениях горного давления при подземной добыче полезных ископаемых. Факторы, влияющие на проявление горного давления в угольных лавах, были разделены на две группы: естественные (мощность и угол падения пласта, физические свойства угля, пород кровли и почвы, нарушения в элементах залегания, водообильность массива, глубина разработки, наличие выработанных ранее участков пласта) и искусственные (ширина и длина очистного забоя, скорость его подвигания, способ поддержания кровли, вид и плотность установки крепи, направление линии забоя по отношению к кливажу, форма линии очистного забоя, способ ведения очистных работ). На основе опытного изучения влияния указанных факторов разрабатывались практические рекомендации по управлению горным давлением.

 

Дальнейшее развитие получила теория сводообразования над очистным пространством угольного пласта. Автор обосновал форму и параметры «кривой давления», то есть свода обрушения пород, развил представление о предельном пролете устойчивого обнажения массива. Учение В.Д. Слесарева об эквивалентных пролетах содержит ошибочные утверждения о том, что для всякой выработки ограниченного контура в плане можно найти эквивалентную выработку бесконечно большой длины, кровля которой будет находиться в тех же условиях равновесия, что и у кровли данной камеры. Устойчивость пород кровли определяет не длина, а ширина выработки, как это уже было доказано исследованиями В. Риттера, М.М. Протодьяконова и др.

 

Не обладая достоверной информацией об истинном напряженном состоянии массива, многие авторы с использованием положений теории упругости и механики сплошной среды решили задачу о величине и характере распределения напряжений в породах вокруг выработок, а также пытались объяснить закономерности механизма разгрузки начальных напряжений вблизи поверхности обнажения. Так в 1937 г. Дж. Спелдинг на основании непосредственных измерений деформаций в выработках глубокого рудника «Чемпион Риф» в Индии пришел к выводу, что вследствие расширения элементарного объема породы в сторону подземной полости начальные напряжения, существовавшие в ненарушенном массиве до ее образования, уменьшаются по величине, то есть происходит их разгрузка. Эффект разгрузки начальных напряжений угасает с удалением в глубь массива. Нагрузка, от которой при этом освобождается порода, непосредственно прилегающая к выработке, передается на более удаленные участки массива, где и концентрируются напряжения. Суммарный эффект уменьшения первичного напряжения заключается в том, что выработка оказывается окруженной кольцом или оболочкой повышенных напряжений. Между зоной концентрации напряжений и контуром выработки создается область пониженных напряжений, величина которых снижается до нуля на поверхности обнажения. Таким образом, Дж. Спелдинг дал качественно новую картину процесса разгрузки начальных, то есть ранее существовавших в ненарушенном массиве, напряжений вокруг горной выработки.

 

Начало аналитическим исследованиям характера распределения напряжений вокруг выработок было положено Р. Феннером в 1938 г. и А. Лабассом в 1946–1947 гг. Они создали стройную математическую теорию, отражающую процессы деформирования пород вблизи поверхностей обнажения. При этом Р. Феннер сделал следующие предположения: в однородной изотропной упругой среде деформации растяжения равны соответствующим напряжениям; максимальное напряжение сдвига определяется произведением коэффициента трения на нормальные напряжения. Теория Р. Феннера доказывает и объясняет наличие вокруг полости в упругой среде зоны, свободной от напряжений, и зоны пониженных напряжений вокруг полости в пластичной среде. А. Лабасс развил идеи Р. Феннера и также аргументированно доказал, что выработка окружена тремя зонами: пониженного давления (зона Тромпетера), повышенного давления и естественных напряжений, имевших место до проведения выработки.

 

Из предпосылок Р. Феннера и А. Лабасса следует, что действующие в массиве напряжения определялись ими по величинам деформаций растяжения и сдвига. К приверженцам «гипотезы деформаций» можно отнести также и известных теоретиков К.В. Руппенейта и В.М. Либермана. Гипотезы деформаций не объясняют картину физических процессов в окружающих выработки массивах горных пород. Они используют лишь внешние проявления горного давления в виде деформаций, то есть очевидные следствия действия какой-то, неизвестной еще, причины. Эти гипотезы, утверждая, что непосредственно у контура выработки располагается зона, свободная от напряжений (зона пониженного давления, зона Тромпетера), не дают ответа, под действием каких сил происходит отрыв массива в объеме свода равновесия в кровле, пучение в почве и обрушение пород в боках выработки.

 

С 1944 по 1961 г. было опубликовано множество работ о горных ударах при строительстве туннелей, добыче руды на свинцово-цинковых рудниках Блайберга и других. С.Г. Авершин, Р. Квапил, Р. Моррисон и другие разработали теоретические основы горных ударов при подземной разработке месторождений. В 1955 г. С.Г. Авершин отмечал, что явления, связанные с напряженным состоянием горных пород, остаются малоизученными. Среди этих явлений горные удары относятся к наименее исследованным, несмотря на полувековую историю их изучения. Горный удар, представляет практически мгновенный выброс угля или породы или того и другого вместе в результате их предельного напряженного состояния подобно тому, как это происходит при взрывании больших количеств взрывчатого вещества, заложенного в уголь или в породу. Р. Квапил считает, что горный удар – освобождение породы от напряжения, сопровождающееся мгновенным переходом аккумулированной потенциальной энергии в работу за пределом упругости и прочности породы.

 

Причиной горных ударов С.Г. Авершин считает накопление в массиве пород больших запасов упругой энергии и затем разрушительное высвобождение ее. Автор исходит из того, что упругие силы, деформируя тело, совершают работу, которая равна сумме произведений этих сил на деформации, ими вызываемые. В результате этого в теле накапливается потенциальная энергия, способная совершить работу по восстановлению первоначальной формы тела. Горные удары возникают в областях перенапряжения массива, попадающих в зоны опорного давления. Большая заслуга С.Г. Авершина – установление закономерностей действия вертикальной составляющей гравитационного давления в массиве пород, окружающем выработку. Наибольшие напряжения до проведения выработки были направлены вертикально, а при ее появлении в массиве отклонились от вертикали.

 

Вдоль средней горизонтальной линии отклонения напряжения в сторону выработки (участок d1) сменяются выравниванием его до вертикального направления, и затем траектории отклоняются от выработки в сторону «целика» (участок d2) и, наконец, снова выравниваются до вертикали на расстоянии, примерно равном высоте выработки. Участок d2 представляет собой зону массива возле выработки, где происходит концентрация напряжений. Аналогичный вывод следует из результатов аналитического решения задачи о распределении напряжений вокруг выработок, а также описанных Г. Шпаккелером опытов Якоби.

 

Качественно новое объяснение закономерностей физических процессов в недрах Земли дает Р. Квапил. Он исходит из положения, что все изменения, которые претерпевает земная кора в результате ведения горных работ, подчиняются естественным законам. Состоянию участка земной коры соответствуют определенные условия распределения потенциальной энергии, которые характеризуются законом оптимального равновесия. Давление горных пород и горные удары – естественное и закономерное явление, потому что реакция массива направляется при изменении состояния в сторону восстановления равновесия. Теоретическими исследованиями Р. Квапил доказал, что вблизи выработки существует зона эллиптической формы, которая характеризуется ослабленным количеством потенциальной энергии и является зоной пониженных напряжений. По мере удаления от контура выработки уровень потенциальной энергии в массиве возрастает и на определенном расстоянии достигает максимума. Далее в глубь массива уровень потенциальной энергии снижается до начального. Автор впервые дал четкое и физически правильное определение понятию «горное давление»: это технический термин, определяющий силы, возникающие в земной коре благодаря искусственному нарушению начального равновесия напряжений и их распределения. Таким образом, работы С.Г. Авершина и Р. Квапила приблизили специалистов к пониманию сущности горного давления, причина которого связана с энергией, а его проявление – с силами.

 

В 1967 г. Н. Хаст методом разгрузки впервые произвел весьма точные измерения упругих деформаций в массивах пород Скандинавии. При этом он выявил весьма интересный факт, необъяснимый с позиции современной механики горных пород, свидетельствующий о том, что в массиве пород имеют место горизонтальные сжимающие напряжения, в несколько раз превышающие геостатические напряжения, то есть напряжения, обусловленные действием гравитационных сил. Это подтвердили измерения упругих деформаций в горнорудных районах СНГ. В первую очередь это Горная Шория, Донбасс, Саяны, Казахстан, Кольский полуостров, Урал, Алтай, Курская магнитная аномалия, а также Норвегия, Шпицберген, Ирландия, Канада, Африка, Юго-Восточная Австралия, Исландия, Альпы, Португалия, Малайзия, США.

 

Отсутствие должного научного объяснения экспериментально установленного факта превышения в несколько раз измеренных горизонтальных напряжений над рассчитанными с учетом веса толщи налегающих пород (геостатическими) привело ученых к мысли о существовании в земных недрах независимого поля так называемых тектонических напряжений. Полный тензор напряжений на глубине Н от земной поверхности состоит, по мнению авторов, из двух независимых составляющих: тензоров гравитационных напряжений и тектонических напряжений.

 

Составляющую тензора тектонических напряжений рекомендуется определять по результатам измерения фактических величин упругих деформаций в намеченных точках исследуемого массива. Введение в теорию горного давления тензора тектонических напряжений еще более усложнило раскрытие закономерностей физических процессов, связанных с образованием поля напряжений в массиве пород до и после нарушения его равновесного состояния.

 

Что? Где? Когда?

ГЛУБОКОЕ  ИЗУЧЕНИЕ   ФИЗИКИ  ПРОЦЕССА  ПОЗВОЛИЛО   ПОЛУЧИТЬ  УНИВЕРСАЛЬНЫЕ  ЗНАНИЯ

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

С. Исаченко
Оффшоры урановых миллионов
Из всех составляющих глобальной задачи по созданию собственного производства ядерного топлива в Украине реально есть одна — сырьевая база. Природа щедро наделила нас ураном. Правда, руда не такая богатая, как в Канаде и Австралии, зато ее много, как ни в одной другой европейской стране. Сколько именно — неизвестно: из-за хронической нехватки средств геологоразведочные работы по урановым залежам не проводились с момента распада Советского Союза.

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

?????????????? ??????????
???????????? «?????? ???????»

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

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.