Ндс массива горных пород

Опубликовано: 25.04.2024

3. Нарушенность массива пород – перераспределение действующих напряжений в массиве в результате техногенного воздействия. Интенсивность и порядок отработки оказывает существенное влияние на напряженно-деформированное состояние массива пород. При технологическом воздействии на массив в нем возникают участки повышенных (максимальных) концентраций напряжений и области пониженных напряжений (зоны разгрузки).

4. Пространственно-геометрические параметры горных выработок – размеры и форма поперечного сечения, взаимное расположение выработок, параметры и конструктивное их оформление. Практика показывает, что криволинейная формы очертания выработок (круглая, эллиптическая, арочная, шатровая и.т.д.), обеспечивает повышенную их устойчивость.

6.2.4. Методы исследования напряженно-деформированного

состояния (НДС) массива пород

Для оценки горного давление применяются следующие методы: натурные производственно-экспериментальные, лабораторные методы (физическое моделирование) и теоретические (аналитические расчеты, численное моделирование). Преимуществом натурных исследований является получение более качественной и достоверной информации о физико-механических свойствах пород, видах разрушений, деформациях и смещениях массива, нагрузках на крепь и т.д. Основной их недостаток – высокая трудоемкость работ.

Лабораторные эксперименты, осуществляемые методами физического моделирования, позволяют получить прогнозные результаты но не всегда обеспечивают необходимую достоверность и выводов наблюдений. Сложность этих экспериментов состоит в корректном подборе и учете материалов, их свойств, а также масштабов моделирования и критериев подобия. Эффективность применения физического моделирования обеспечивается в тех случаях, когда прогнозируемые явления не поддаются наблюдению в натуре.

Математическое моделирование, в сравнении с выше приведенными методами, является более прогрессивным и позволяет резко сократить объем и время проведения экспериментов. Однако аналитические исследования позволяют получить лишь качественную картину изучаемых явлений.

Рассмотрим кратко содержание методов изучения горного давления.

Производственно-экспериментальные методы, основанные на наблюдениях и экспериментах в подземных условиях и на поверхности включают:

· визуальные наблюдения проявления горного давления в натурных условиях;

· маркшейдерские измерения сдвижения обнаженных поверхностей массива;

· экспериментальное определение напряжений и смещений во времени отдельных точек (участков) массива;

· оценка структурно-механического состояния массива геофизическими методами;

· автоматизированная система геомеханического мониторинга;

· определение давления горных пород на крепь;

· оценка трещиноватости горных пород;

· размеры устойчивых обнажений массива.

Приведем пример результатов визуального наблюдения за проявлением горного давления. При строительстве Николаевского рудника на глубинах 700-800 м было выявлено, что при проходке по направлению главных горизонтальных напряжений выработок сводчатой формы в кровле происходило заколообразование и разрушение горных пород, которое постепенно распространялась на боковые стенки. Придание выработке шатровой формы (рис. 6.4 б) обеспечило сохранность ее на длительный период.



Рис. 6.4. Состояние выработок сводчатой (а) и шатровой формы (б) на Николаевском месторождении.

При маркшейдерских измерениях определяют относительные смещения кровли и почвы (или бортов) выработок (вертикальную и горизонтальную конвергенцию). Замеряют эти смещения с помощью специальных измерительных стоек, реек и реперов.

В настоящее время в практике широко используют геофизические (звукометрические, электрофизические, сейсмоакустические, ультразвуковые, радиометрические) методы прогнозирования напряженности массива.

  • АлтГТУ 419
  • АлтГУ 113
  • АмПГУ 296
  • АГТУ 267
  • БИТТУ 794
  • БГТУ «Военмех» 1191
  • БГМУ 172
  • БГТУ 603
  • БГУ 155
  • БГУИР 391
  • БелГУТ 4908
  • БГЭУ 963
  • БНТУ 1070
  • БТЭУ ПК 689
  • БрГУ 179
  • ВНТУ 120
  • ВГУЭС 426
  • ВлГУ 645
  • ВМедА 611
  • ВолгГТУ 235
  • ВНУ им. Даля 166
  • ВЗФЭИ 245
  • ВятГСХА 101
  • ВятГГУ 139
  • ВятГУ 559
  • ГГДСК 171
  • ГомГМК 501
  • ГГМУ 1966
  • ГГТУ им. Сухого 4467
  • ГГУ им. Скорины 1590
  • ГМА им. Макарова 299
  • ДГПУ 159
  • ДальГАУ 279
  • ДВГГУ 134
  • ДВГМУ 408
  • ДВГТУ 936
  • ДВГУПС 305
  • ДВФУ 949
  • ДонГТУ 498
  • ДИТМ МНТУ 109
  • ИвГМА 488
  • ИГХТУ 131
  • ИжГТУ 145
  • КемГППК 171
  • КемГУ 508
  • КГМТУ 270
  • КировАТ 147
  • КГКСЭП 407
  • КГТА им. Дегтярева 174
  • КнАГТУ 2910
  • КрасГАУ 345
  • КрасГМУ 629
  • КГПУ им. Астафьева 133
  • КГТУ (СФУ) 567
  • КГТЭИ (СФУ) 112
  • КПК №2 177
  • КубГТУ 138
  • КубГУ 109
  • КузГПА 182
  • КузГТУ 789
  • МГТУ им. Носова 369
  • МГЭУ им. Сахарова 232
  • МГЭК 249
  • МГПУ 165
  • МАИ 144
  • МАДИ 151
  • МГИУ 1179
  • МГОУ 121
  • МГСУ 331
  • МГУ 273
  • МГУКИ 101
  • МГУПИ 225
  • МГУПС (МИИТ) 637
  • МГУТУ 122
  • МТУСИ 179
  • ХАИ 656
  • ТПУ 455
  • НИУ МЭИ 640
  • НМСУ «Горный» 1701
  • ХПИ 1534
  • НТУУ «КПИ» 213
  • НУК им. Макарова 543
  • НВ 1001
  • НГАВТ 362
  • НГАУ 411
  • НГАСУ 817
  • НГМУ 665
  • НГПУ 214
  • НГТУ 4610
  • НГУ 1993
  • НГУЭУ 499
  • НИИ 201
  • ОмГТУ 302
  • ОмГУПС 230
  • СПбПК №4 115
  • ПГУПС 2489
  • ПГПУ им. Короленко 296
  • ПНТУ им. Кондратюка 120
  • РАНХиГС 190
  • РОАТ МИИТ 608
  • РТА 245
  • РГГМУ 117
  • РГПУ им. Герцена 123
  • РГППУ 142
  • РГСУ 162
  • «МАТИ» — РГТУ 121
  • РГУНиГ 260
  • РЭУ им. Плеханова 123
  • РГАТУ им. Соловьёва 219
  • РязГМУ 125
  • РГРТУ 666
  • СамГТУ 131
  • СПбГАСУ 315
  • ИНЖЭКОН 328
  • СПбГИПСР 136
  • СПбГЛТУ им. Кирова 227
  • СПбГМТУ 143
  • СПбГПМУ 146
  • СПбГПУ 1599
  • СПбГТИ (ТУ) 293
  • СПбГТУРП 236
  • СПбГУ 578
  • ГУАП 524
  • СПбГУНиПТ 291
  • СПбГУПТД 438
  • СПбГУСЭ 226
  • СПбГУТ 194
  • СПГУТД 151
  • СПбГУЭФ 145
  • СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 379
  • ПИМаш 247
  • НИУ ИТМО 531
  • СГТУ им. Гагарина 114
  • СахГУ 278
  • СЗТУ 484
  • СибАГС 249
  • СибГАУ 462
  • СибГИУ 1654
  • СибГТУ 946
  • СГУПС 1473
  • СибГУТИ 2083
  • СибУПК 377
  • СФУ 2424
  • СНАУ 567
  • СумГУ 768
  • ТРТУ 149
  • ТОГУ 551
  • ТГЭУ 325
  • ТГУ (Томск) 276
  • ТГПУ 181
  • ТулГУ 553
  • УкрГАЖТ 234
  • УлГТУ 536
  • УИПКПРО 123
  • УрГПУ 195
  • УГТУ-УПИ 758
  • УГНТУ 570
  • УГТУ 134
  • ХГАЭП 138
  • ХГАФК 110
  • ХНАГХ 407
  • ХНУВД 512
  • ХНУ им. Каразина 305
  • ХНУРЭ 325
  • ХНЭУ 495
  • ЦПУ 157
  • ЧитГУ 220
  • ЮУрГУ 309
Полный список ВУЗов
  • О проекте
  • Реклама на сайте
  • Правообладателям
  • Правила
  • Обратная связь

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).


CC BY

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Барышников Д. В., Васильев А. С., Качальский В. Г.

The present paper substantiates the importance of introducing automation into in situ studies of the stress-strain state in a rock mass. A dilatometric test of a borehole is described as an example of the most laborand time-consuming experiments. The paper encloses the experimental videograms and mathematical calculations.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Барышников Д. В., Васильев А. С., Качальский В. Г.

AUTOMATION OF DILATOMETRIC STUDIES INTO THE STRESS-STRAIN STATE OF A ROCK MASS

The present paper substantiates the importance of introducing automation into in situ studies of the stress-strain state in a rock mass. A dilatometric test of a borehole is described as an example of the most laborand time-consuming experiments. The paper encloses the experimental videograms and mathematical calculations.

Текст научной работы на тему «Автоматизация дилатометрических измерений при исследовании НДС массива горных пород»

УДК 627.82.012.3.4 : 539.3

Д.В. Барышников, А.С. Васильев, В.Г. Качальский Институт горного дела СО РАН, Новосибирск

АВТОМАТИЗАЦИЯ ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ НДС МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

D.V. Ba^shnikov, A.S. Vasilyev, V.G. Kachalski

Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Science, Novosibirsk, Russia

AUTOMATION OF DILATOMETRIC STUDIES INTO THE STRESS-STRAIN STATE OF A ROCK MASS

The present paper substantiates the importance of introducing automation into in situ studies of the stress-strain state in a rock mass. A dilatometric test of a borehole is described as an example of the most labor- and time-consuming experiments. The paper encloses the experimental videograms and mathematical calculations.

В 2005 г на руднике «Интернациональный» АК «АЛРОСА» начаты работы по реконструкции бортов карьера с целью его осушения и последующей открытой отработки части подкарьерных запасов ниже отметки существующего дна карьера (а.о. +116 м) до отметки кровли водоносного горизонта (а.о. +170 м) при одновременном ведении подземной разработки. В пределах шахтного поля трубки «Интернациональная» наиболее ответственным участком является предохранительный целик, оставленный под водоносным горизонтом карьера до отметок 5 блока.

Сдвижение пород в переходной зоне в результате совместного ведения открытой и подземной разработки не должно приводить к образованию магистральных трещин в рудном массиве и во вмещающих породах, резко увеличивающих водопритоки в горные выработки и создающих угрозу затопления рудника. В данных условиях важны знания особенностей формирования НДС подкарьерной толщи, а также инструментальный контроль развития процесса сдвижения рудного массива и вмещающих горных пород на различных этапах отработки.

Выбор методов, измерительных средств и условий размещения наблюдательных станций системы гидрогеомеханического мониторинга базируется на прогнозных оценках ожидаемых параметров процесса сдвижений и деформаций в подкарьерной толще. Прогнозные оценки могут быть получены по результатам математического моделирования состояния подкарьерной толщи, достоверность которых определяется надежностью исходных данных о физико-механических свойствах горного массива (параметров геомеханической модели). Однако данные о физико-механических свойствах, имеют достаточно разрозненный характер, и часто оказывается, что для зоны, где планируется закладка наблюдательной станции, не имеется достаточно представительных сведений. Также, невозможно провести корреляционные связи между текущим участком работ и участками где эти данные имеются.

Проблему получения этих данных решает проведение натурных экспериментов по определению напряжений в массиве при помощи метода дилатометрии. Проведение данного эксперимента достаточно трудоемкий процесс, связанный с предельной концентрацией внимания испытателей. Кроме того, возможны потери данных, связанные с поломкой оборудования, спровоцированные человеческим фактором и т. п. Выходом из этой ситуации является автоматизация процесса проведения эксперимента. Это позволяет практически полностью исключить ошибки, связанные с наличием человеческого фактора, а также минимизировать потерю данных при внезапном выходе из строя оборудования или других непредвиденных факторов приводящих к некорректному завершению эксперимента.

Компьютеризированный сбор данных позволяет исключить случайные ошибки ввода, предоставляет возможность непосредственной передачи информации в имеющуюся базу данных. При условии наличия в ней (БД) соответствующих программных средств, а также корректного привлечения информации, имеющейся по параметрам физико-механических свойств, представляется возможным производить расчет напряженно деформированного состояния массива на сходных участках проведения работ. Наличие данных о напряженно деформируемом состоянии массива в совокупности с обширными знаниями физико-механических свойств позволяют более точно прогнозировать поведение массива, используя при построении геомеханической модели, как данные о свойствах породы в окрестности выработки, так и непосредственные значения напряжений в массиве. Для этой цели был создан автоматизированный комплекс и разработано программное обеспечение для определения напряженно деформированного состояния массива горных пород.

Сущность метода исследования состоит в активном принципе исследования окрестностей скважин на деформационные свойства. Для этого в скважину на некоторую глубину от устья помещают гидравлический датчик, представляющий собой металлический цилиндр, средняя часть которого имеет резиновую оболочку. При подаче внутрь датчика жидкости под давлением, резиновая оболочка сначала принимает форму скважины, а за тем передает возрастающее давление на стенки скважины. По величине давления в гидросистеме и расходу жидкости можно определять изменение диаметра скважины, напряжение и деформации в ней.

Решение задачи автоматизации натурного эксперимента в данном случае приводит к необходимости создания комплекса, состоящего как из технических, так и программных средств.

Технические средства обеспечения состоят из датчиков давления в гидросистеме и перемещения, который косвенным образом измеряет расход жидкости на расширение гидравлической системы - главным образом гидродатчика. Значения давления и перемещения контролируются визуально экспериментатором. Сигналы от датчиков поступают в компьютеризованное Устройство регистрации через блок разъёмов. Ход эксперимента, управляющие команды и сообщения отображаются на дисплее Устройства регистрации, программное обеспечение которого осуществляет управление ходом, как

отдельных частей, так и всего эксперимента в целом. Каждый этап эксперимента сопровождается визуальными сообщениями и звуковыми сигналами, позволяющими контролировать достижения заданных значений давлений. На рис. 1. представлен общий вид системы обеспечения хода дилатометрических испытаний.

Ручной насос Пресс-расходомер Датчик давления

Рис. 1. Комплекс приборов и устройств для автоматизации дилатометрических

испытаний НДС массива горных пород

Эксперимент по дилатометрическим испытаниям состоит из следующих основных этапов.

- Градуировка гидродатчика, позволяющая определить и аппроксимировать зависимость среднего расхода жидкости на расширение от диаметра калибровочных цилиндров при одних и тех же значениях приращения давления.

- Определение эквивалентного диаметра испытательной скважины при тех же режимах изменения давления.

- Собственно нагружение испытательной скважины для получения характеристик НДС.

- Тарировка датчика, то есть учет влияния повышенных давлений на гидродатчик и всю гидравлическую систему с последующей корректировкой результатов нагружения испытательной скважины.

Ход каждого из указанных этапов сопровождается интерактивным диалогом с программным и математическим обеспечением, значительно упрощающим проведение достаточно сложного и трудоёмкого эксперимента. На рис. 2 приведены примеры видеограмм процесса нагружения испытательной скважины и результаты тарировки и математической обработки результатов эксперимента.

На графике Р(У) рис. 2. (слева), экспериментатор самостоятельно отмечает точки графика Р(У): (У1,Р1), (У2,Р2), (УзРз) и т. д., координаты которых будет использовать для расчетов. По полученным характерным точкам производится математическая обработка результатов эксперимента. Вычисляются разности на восходящей и нисходящей ветвях графика Р(У):

АР „ — Р 4 —Р 2; АУ„ = У3-У1; ЛРУ=Р3-Р1; ЛУу = У4-У2.

Рис. 2. Видеограммы процесса деформации скважины (слева) и результатов эксперимента (справа), полученных с экрана дисплея Устройства регистрации

Вычисляются, запоминаются и выводятся на экран:

77 = Ж_____________________ ИИЛ , 77 =.

где Еа - модуль деформации;

Еу - модуль упругости;

Ве - диаметр испытатаельной скважины;

у - коэффициент Пуассона (по умолчанию = 0,25);

кр - коэффициент передачи давления на стенки скважины. Задается исходя из экспериментальных проверок датчика, кр Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Применение методов автоматизации эксперимента с одновременной математической обработкой результатов в реальном времени позволяет в значительной мере ускорить сам процесс проведения эксперимента, увеличить точность, как измеряемых параметров при регистрации данных, так и вычисленных результатов.

© Д.В. Барышников, А.С. Васильев, В.Г. Качальский, 2008

Производство горных работ сопровождается нарушением начального напряженного состояния породных массивов. Горные работы всегда связаны с образованием выработанных пространств в породном массиве или горных выработок. Окружающие выработку горные породы перемещаются в сторону выработанного пространства, причем величина этих перемещений тем больше, чем ближе горные породы расположены к породному обнажению, т. е. вмещающий горную выработку породный массив деформируется. Деформации растяжения в направлении выработки (в «радиальном» направлении) сопровождаются деформациями сжатия во взаимно перпендикулярных направлениях (в «окружном» и «продольном» направлениях), которые обычно совпадают с направлениями очертания контура выработки. Возникающие вокруг выработки деформации растяжения и сжатия горных пород определяют появление соответствующих по знаку и величине дополнительных напряжений, которые искажают или нарушают начальное напряженное состояние породных массивов.

Вокруг горных выработок формируется новое напряженно-деформированное состояние, которое наиболее существенно отличается от начального вблизи контура выработок и практически не отличается вдали от контура. Другой характерной чертой нового напряженно-деформированного состояния вокруг выработок обычно является относительное увеличение или концентрация «окружных» нормальных напряжений и относительное уменьшение или деконцентрация «радиальных» нормальных напряжений. Концентрация напряжений формирует так называемые области опорного давления, а деконцентрация — области разгрузки в породном массиве.

Если новое напряженно-деформированное состояние превосходит некоторый предельный для породного массива уровень, начинается его разрушение, которое в свою очередь изменяет напряженно-деформированное состояние вокруг выработок. Концентрация напряжений или опорное давление смещается вглубь массива, разгружая его приконтурную область. Разрушение на контуре выработок может носить спокойный статический характер или динамический в виде горных ударов и выбросов. Но даже при статическом разрушении горных пород они представляют опасность для нормальной эксплуатации выработок, так как могут потерять устойчивость и обрушиться в выработку.

Таковы самые общие качественные закономерности геомеханических процессов, независимо от того, где они имеют место: вокруг капитальных, подготовительных или очистных выработок, при разработке пластовых или рудных месторождений, при подземных или открытых горных работах.

Для анализа геомеханических процессов используется физическое и математическое моделирование. Среди физических методов моделирования чаще всего применяется моделирование на эквивалентных материалах и на оптически активных материалах.

Напряженно–деформированное состояние массива

В массиве горных пород проводится горно-разведочная выработка круглого сечения. Считая, что в выработке поддерживается температура воздушной среды равной естественной температуре мерзлой породы. Этим самым обеспечиваем только механическое влияние выработки на напряженно – деформированное состояние массива. Как показал анализ эксплуатации горных выработок в многолетних мерзлых породах, существенное влияние на устойчивость породных обнажений оказывает тепловой режим выработки. Поэтому изменение НДС массива будет зависеть только от мерзлого или талого состояния горных пород. Следовательно, можно разделить понятия теплового и механического влияния выработки для правильного понимания деформационных процессов, протекающих в мерзлом и оттаивающем мерзлом массиве пород.

Рассмотрим многолетнемерзлый массив горных пород. Считаем, что в данном массиве стабилизировалось напряженно-деформированное состояние массива (НДС) под влиянием длительного геологического периода (сотни тысяч лет) в процессе формирования “вечной” мерзлоты. К моменту проведения горной выработки в таком массиве пород НДС следует считать исходным или естественным полем напряжений и деформаций. Надо отметить, что “стабилизация НДС” действует в пределах небольшого геологического периода (тысячи и сотни лет). Колебания для значительных геологических формаций, достигающие больших амплитуд, могут влиять на геомеханическое состояние верхнего слоя земной коры, которые, однако, не значимы при анализе НДС массива на срок существования горной выработки (десятки лет).

В районах распространения сплошной мерзлоты, наиболее характерной для месторождений Северо-востока, обычно выделяют три зоны по мощности мерзлого слоя массива горных пород, отличающиеся температурным режимом. Первая зона относится к слою массива пород, прилегающих к дневной поверхности, и называется зоной сезонных годовых колебаний температуры пород (иногда ее называют-гелиотермозоной). В этой зоне колебания температуры пород обусловлены внешними факторами (тепловым режимом атмосферы, солнечной радиацией и т.д.). Мощность данной зоны составляет 10-20 м (в зависимости от географического района расположения месторождения).

Вторая зона – наиболее большая по мощности и представляющая значительный интерес при анализе НДС массива пород вокруг выработок – называется зоной естественного распределения температурного поля. В этой зоне практически не сказывается тепловое влияние внешней среды и глубинного тепла Земли.

Третья зона является переходной между зоной естественного распределения температурного поля и талым массивом горных пород ниже многолетней мерзлоты. Температура пород в этой зоне независимо от различных факторов имеет значения близкие к нулевой изотерме, хотя мощность зоны существенным образом зависит от величины теплового потока, идущей от ядра Земли. Принимаемая за основу разделение многолетнемерзлых горных пород на зоны по мощности, считаем ее соответствие влиянию распределения НДС массива в естественном состоянии.

При проведении вертикальной выработки, которая обычно пересекает всю толщу многолетнемерзлых горных пород, изменение НДС приконтурного слоя породного обнажения будет происходить неодинаково по зонам мерзлоты вследствие различного влияния температурного фактора на геомеханические процессы в массиве вокруг выработки.

В первой зоне, которая в основном сложена дисперсными грунтами и четвертичными отложениями, формирование НДС в мерзлой части промерзающих дисперсных пород связано с развитием таких сложных физико-химических процессов, как кристаллизация поровой влаги и рассучивания породы, миграция незамерзшей воды, расклинивающие действие тонких пленок воды и др. В данной зоне роль температурного фактора весьма значительна в формировании НДС массива пород.

Учитывая вышесказанное, рассмотрим НДС массива многолетнемерзлых горных пород в зоне естественного распределения температурного поля вокруг вертикальной выработки. Будем считать, что действуют две силы, влияющие на НДС массива: гравитационная сила, обусловленная силой тяжести вышележащих горных пород, и температурные напряжения, обусловленные изменением естественного температурного поля горных пород. Если рассматривать НДС массива только от гравитационной силы, то концентрация напряжений на контуре породного обнажения появляется с образованием полости (выработки) в породах. Температурный фактор (например, тепловое воздействие вентиляционного воздуха на естественный температурный режим приконтурного слоя мерзлых пород) вызывает появление температурных напряжений в массиве от температурной зависимости физико-механических свойств и температурного расширения горных пород, что увеличивает или снижает общую концентрацию напряжений на контуре в зависимости от времени проведения выработки и носит сезонный цикличный характер. При проведении вертикального ствола в холодный период времени, когда температура воздуха в выработке бывает значительно ниже естественной температуры пород, приконтурный слой переохлаждается. Это вызывает увеличение концентрации напряжений. Если выработка проводится в летний период, когда в ствол поступает вентиляционный воздух с положительной температурой, то вокруг выработки имеем процесс протаивания мерзлых пород, что приводит к качественно новому перераспределению НДС на контуре обнажения, обусловленному изменением геомеханической ситуации вследствие температурной зависимости физико-механических свойств мерзлых пород, особенно при переходе их в талое состояние.

Эти процессы в зависимости от сезона периодически меняются, особенно при длительной эксплуатации выработки.

В массиве мерзлых горных пород проводится вертикальная выработка круглого сечения. Считаем, что в выработке поддерживается температура воздушной среды равная естественной температуре мерзлых пород. Данное условие позволяет исключить тепловое влияние выработки на механическое состояние приконтурного слоя массива пород. Этим самым обеспечиваем только механическое влияние выработки на напряженно-деформированное состояние массива.

Как показал анализ эксплуатации вертикальных выработок а многолетнемерзлых породах, существенное влияние на устойчивость породных обнажений оказывает тепловой режим выработки. Поэтому изменение НДС массива будет зависеть только от мерзлого или талого состояния горных пород. Следовательно, необходимо разделить понятия теплового и механического влияния выработки для правильного понимания деформационных процессов, протекающих в мерзлом и оттаивающем мерзлом массиве пород.

Осесимметричная плоская деформация

Данная постановка задачи характеризуется равенством нулю касательного напряжения τrи вертикальной деформации εz.

Задачу целесообразнее решать методом перемещений, т.к. независимо от применяемого метода решения распределение напряжений и перемещений описываются одними и теми же выражениями.

В задаче плоской деформации, как и в осесимметричных задачах, напряжения и перемещения определяются выражениями, вывод которых не зависит от применяемого метода решения.

Таким образом, плосконапряженное состояние отличается от плоской деформации только значениями перемещений породного массива, а распределение напряжений описываются одинаковыми формулами.

Существуют три метода решения: метод сил, перемещений и смешанный способ. При решении задачи методом сил за основные неизвестные принимаются напряжения, которые определяются в результате интегрирования уравнений равновесия и уравнений неразрывности деформаций, где деформации выражены через напряжения с помощью физических уравнений. В методе перемещений за основные неизвестные принимаются перемещения, определяемые из решения уравнений равновесия, где напряжения предварительно выражаются через перемещения с помощью физических и геометрических уравнений.

При решении задачи смешанным методом за основные неизвестные принимаются некоторые из напряжений и некоторые из перемещений.

Выбор метода решения часто определяется видом граничных условий: при силовых граничных условиях обычно используется метод сил, при кинематических — метод перемещений. В задачах геомеханики, где анализируются геомеханические процессы от действия горного давления, чаще всего используется метод сил.

Плоское напряженное состояние возникает, когда все действующие напряжения параллельны какой-либо одной плоскости.

Плоское напряженное состояние характерно для объектов, у которых один из размеров существенно меньше двух других, например для тонких пластин, нагруженных по контуру силами, параллельными их плоскости. В частности, если в гравитационном поле сил в массиве пород вокруг вертикального ствола мысленно выделить тонкий слой, перпендикулярный к его оси, то напряженное состояние пород в выделенном слое можно практически полагать плоским.

При наличии плоскости симметрии в породном массиве рассматривается плоская задача. Такой тип задачи обычно используется для исследований механических процессов в окрестности горизонтальных горных выработок.

Решая задачу в постановке плоской деформации, необходимо помнить, что решение будет справедливым только для сечений, которые в процессе деформирования остаются плоскими. В горных выработках такие сечения, нормальные к продольной оси выработки, должны быть удалены от забоя на расстоянии 1 > 6D, где D - пролет поперечного сечения выработки, а в выработках кругового сечения - диаметр. При этом погрешность, возникающая в результате решения задачи в постановке плоской деформации, составляет не более 10%.

массив горных пород – это часть земной коры, находящаяся в сфере инженерного воздействия, исследуемая с целью определения условий производства инженерных работ и эксплуатации сооружения и обладающая инженерно-геологической структурой, отличной от структуры соседних с ним участков земной коры (то есть массив горных пород рассматривается как геологический объект, взаимодействующий с конкретным инженерным сооружением или комплексом сооружений)

Главнейшими факторами, определяющими физико-механические свойства массива и поведение его при взаимодействии с инженерным сооружением, являются вещественный состав массива, его строение, выветрелость и трещиноватость грунтов, обводненность, неоднородность, ндс. Все эти показатели и как следствие этого инженерно-геологические особенности массивов находятся в прямой зависимости от историческо-генетических и геолого-структурных факторов, а также современной тепло- и влагообеспеченности массивов.

По вещественному составу различают массивы, сложенные скальными грунтами, дисперсными и криогенными. Кроме того, довольно широко распространены массивы смешанного состава. Массивы, сложенные скальными грунтами, в ненарушенном состоянии имеют высокую прочность, высокие значения показателей деформируемости и ничтожную водопроницаемость. Главным фактором, определяющим их физ-мех и фильтр. свойства, являются трещиноватость. Из петрографических свойств важно наличие расворимых пород. Массивы дисперсных пород разнообразны по свойствам в зависимости от гранулометрического и минерального состава слагающих их пород. Общей особенностью массивов дисп.грунтов является резкое изменение их поведения при взаимодействии с водой. Инж-геол. особенности массивов криогенных грунтов определяются содержанием подземных льдов – льдистостью массива и его температурой.

Выветрелость массива определяет прочность, деформируемость, размываемость и водопроницаемость массива. В общем случае в полном разрезе коры выветривания выделяются несколько горизонтов, различных по физ-мех и фильт свойствам. Мощность выветрелых массивов, закономерность ее изменения зависят от геологического строения района. Различают площадные и линейные коры выветривания. Мощность первых зависитот мин.состава грунтов приповерхностной зоны, геологической деятельности процесса. Линейные формируются по зонам тектонических нарушений, складчатых слоистых массивов, по прослоям отдельных неустойчивых пород и по поверхностям их ослабления.


Схема расчленения коры выветривания (по Г. С.Золотареву).

Зоны выветривания и их характерные особенности: I — дис­персная — полного химического преобразования исходных пород. Возможно разделение на два—три горизонта. Сла­бо изучена в инженерном отношении; II — обломочная — преобладание физической дезинтеграции и частичное хими­ческое разложение; по степени раздробленности и химичес­кого разложения, количеству минеральных новообразований и физико-механическим свойствам подразделяются обычно на четыре горизонта, обозначаемых А, Б, В и Г; III — тре­щинная — раздробление массива и начало разложения по­род по крупным трещинам и тектоническим зонам; появле­ние на значительных глубинах. Коэффициент выветрелости-отношение плотности выветрелого грунта к плотности монолитного грунта. Коэффициентвыветрелости крупнообломочных грунтов , д.е.,определяется по формуле

где - отношение массы частиц размером менее 2 мм к массе частиц размером более 2 мм после испытания на истирание в полочном барабане, - то же, в природном состоянии.

Коэффициент выветрелостиК_wr, д. е. ¦

Невыветрелый
Слабовыветрелый 1>К_wr>0=0,9
Выветрелый 0,90>К_wr>=0,80
Сильновыветрелый 0,80>К_wr

Трещиноватость. Практически все массивы трещиноваты (кроме сыпучих песков и весьма пластичных грунтов, например, солей). Трещиноватость является главной причиной сжимаемости, неустойчивости, повышенной водопроницаемости, неоднородности свойств массивов скальных грунтов.

Трещины бывают первичными и вторичные. Первичные – литогенетические, ( т.е. образовавшиеся при формировании пород из осадка или магматического расплава) и трещиноватость, связанная с региональными тектоническими процессами. Их объем невелик. Вторичные трещины образуются в массиве грунтов при тектонических дислокациях (разрывных, складчатых), при выветривании, при искуственном разрушении пород, при взрывах и т.д. Они могут быть унаследованными, т.е. развиваться по первичным трещинам, или новообразованными. Направление трещин, их крутизну, взаимные соотношения систем трещин необходимо учитывать при оценке устойчивости склонов и искусственных откосов. При неблагоприятном расположении трещин в массиве формируюися поверхности ослабления, по которым происходят оползни и обвалы. Важное значение имеет состав заполнителя трещин и характер их поверхности. Различают трещины с гладкой, шероховатой и бугристой поверхностью. От характера вещества, выполняющего трещины, зависит водопроницаемость, прочность, деформируемость массива, а также возможность улучшения его свойств методами технической мелиорации грунтов. Также различают три типа пространственной сети трещин: 1) непрорывную, 2) промежуточную, 3) прерывистую.


Газонасыщенность массивов является важным факторм, определяющим их устойчивость в подземных выработках, при разработке месторождений полезных ископаемых. Наиболее газонасыщенными являются массивы угленосных пород. Природный газ – метан, азот, углекислый газ + примеси. Первоисточник газа – гумусовое органическое вещество.

Обводненность. Характер и степень обводненности массива грунтов оказывают существенное влияние на физ-мех свойства. Подземные воды при оценке массива рассм в трех аспектах: 1) как компонент грунта, 2) как растворы, вступающие в хим.реакции с породами массива, 3) как силовой фактор, воздействие которого приводит к изменению ндс, снижению его прочности и устойчивости. Обводненность массива во всех случаях ухудшает физ-мех свойства грунтов.




Также важны температура массивов грунтов (переход через 0º), фазовое состояние жидкой компоненты,

Анизотропия свойств массива. Хорошо известна анизотропия грунтов и их массивов по важнейшим показателям свойств: фильтрационная анизотропия в лёссах, анизотропия прочности на сжатие, растяжение и сдвиг в слоистых грунтах и др. Отнесение геологического объекта к анизотропному или изотропному зависит от масштаба. Также следует различать анизотропию свойств кристалла, анизотропию, обусловленную текстурой грунтов, анизотропию за счет мак­рослоистости или макротрещиноватости массива и т.д. При изучении анизотропии свойств грунтов в массиве некоторые иссле­дователи различают первичную и вторичную анизотропию, причиной кото­рых являются различные геологические факторы (Куюнджич, 1960). Причи­ной первичной анизотропии могут являться упорядоченная ориентировка кристаллов при образовании магматических пород, слоистость в осадочных горных породах, сланцеватость в метаморфических породах. Причинами вто­ричной анизотропии Бр. Куюнджич называет трещиноватость различного ге­незиса, напряженное состояние грунтов и наличие зон разуплотнения и раз­грузки на склонах. Главной причиной анизотропии свойств массивов скаль­ных грунтов является их трещиноватость. Вместе с тем сильная равномерно распределенная трещиноватость делает массив изотропным. Для описания анизотропии массива обычно используют некоторые диаграм­мы или индикатрисы.

Неоднородность строения и свойств массива грунтов. Различают первичную и вторичную неоднородность массива. Первичную (сингенетическую) нео­днородность массив приобретает в процессе образования слагающих его грун­тов. Она может быть обусловлена неоднородностью минерального и грануло­метрического состава осадка, слоистостью, переслаиванием толщ разного состава и мощности, первичной трещиноватостью. Вторичная (эпигенетичес­кая) неоднородность — это неоднородность за счет тектонических процес­сов, выветрелости и других гипергенных преобразований. Отнесение массива к однородному или неоднородному зависит от уровня (масштаба) рассмотрения явления. В соответствии с классификацией М.В.Раца — неодно­родность IV уровня — это неоднородность реальных кристаллов за счет де­фектов кристаллической решетки; неоднородность III уровня — это неодно­родность состава, структуры и текстуры грунтов в рамках одного петрографи­ческого типа; неоднородность II уровня — неоднородность состава и строения грунта в пределах пачки, ритма, слоя, неоднородность за счет трещиновато­сти и мелких геологических дислокаций; неоднородность I уровня — неодно­родность массива грунтов, обусловленная наличием различных по составу и строению горизонтов и слоев, различной степенью литификации, тектони­ческими нарушениями, зонами гидротермальной переработки выветривания, разгрузки и т.д.; неоднородность нулевого уровня обычно описывается как региональная изменчивость, обусловленная фациальным и формационными различиями геологических тел. Наибольшее значение при оценке поведения массивов горных пород во взаимодействии с сооружением имеют неоднородности III и II порядков. Выделено три основных режима пространственно-временной изменчивости.


Рис. 30.5. График, иллюстрирующий инженерно-геологическую изменчивость грунтов:1 — нестационарная скачкообразная закономерная (по Н.В.Коломенскому); 2 — стационарная (скачкообразная незакономерная); 3 — квазифункциональная (разновидность закономерной (нестационарной) изменчивости, когда на ре­гулярную составляющую изменчивости наложены случайные флуктуации с небольшой амплитудой)

Степень неодно­родности массива по какому-нибудь свойству принято количественно оцени­вать величиной коэффициента вариации.

Ндс массива. Горные породы в земной коре находятся в напряженном состоянии, ко­торое обусловлено действием двух силовых полей — гравитационного и тек­тонического. Знание величин и распределение напряже­ний необходимы для расчета устойчивости склонов, безопасного ведения гор­ных работ, оценки устойчивости оснований плотин и других инженерных сооружений. Неоднородность поля естественных напряжений зависит от: 1) характера тектонических структур (синклинальных и анти­клинальных складок, разломов и прочих тектонических нарушений); 2) на­правления и величины действующих тектонических сил; 3) степени тектони­ческой сложности и нарушенное района; 4) характера залегания грунтов; 5) неоднородности геологического разреза массива, проявляющейся в из­менчивости физико-механических свойств грунтов, 6) строения рельефа, 7) степени обводненности массива; 8) геотермических условий и др.

date image
2014-02-04 views image
650

facebook icon
vkontakte icon
twitter icon
odnoklasniki icon



В рассмотренных склоновых процессах действие силы тяжести как основной причины вполне очевидно. Она также проявляется в провалах горных пород в полости и пустоты, образующиеся при карсте, суффозии, прорывах плывунов. Но имеются обширные области хозяйственно-строительной деятельности человека, когда в массивах горных пород целенаправленно создаются полости и пустоты значительных размеров. Это добыча полезных ископаемых в шахтах и рудниках со всем их подземным хозяйством; применительно к строительству это тоннели различного назначения (транспортного, гидротехнического и др.), подземные хранилища и другие сооружения. В частности, современное развитие городов связывается во многом с освоением подземного пространства. Условия для проявления действия силы тяжести возникают при создании в толще горных пород свободного пространства – проходке выработки. Что при этом происходит?

Пусть на глубине z от поверхности пройдена выработка АБВГ (рис.12.3); общепринятые в горном деле названия ее элементов: АГ – почва; БВ – кровля; АБ и ГВ – стенки. До проходки имеет место естественное напряженное состояние: на кровлю действует напряжение σz = γz, а на стенки σx = ξγz, где ξ – коэффициент бокового давления, меняющийся от 0 до 1 при отсутствии тектонических напряжений; при наличии их возможны значения ξ > 1. После проходки выработки нормальные напряжения в точках контура станут равны нулю, отчего они (точки контура) получат некоторое смещение внутрь выработки. Вследствие этого в прилегающей к выработке зоне произойдет разуплотнение горных пород. Далее, напротив, напряжения возрастают (это зона опорного давления) и только затем напряжения снижаются до природных, имевших место до проходки выработки.

Влияние описанного изменения НДС массива на выработку называют горным давлением. Рассмотрим его проявления для двух крайних случаев.

1. Массив горных пород однородный и сложен прочными слаботрещиноватыми породами. Смещения точек контура выработки, как и во всей зоне разуплотнения, происходят в виде упругих деформаций разгрузки и соответственно практически мгновенно (со скоростью звука); по величине они незначительны (первые мм). Проходка может вестись без крепления и в таком незакрепленном виде выработка может оставаться надолго.


Рис. 12.3. Изменение НДС массива горных пород при проходке выработки: 1 – зона разуплотнения и падения напряжений;

2 – зона повышенных напряжений

2. Массив г.п. сложен рыхлыми песчано-глинистыми породами. Смещения пород при проходке будут значительные и сопровождаться вывалами и обрушениями пород в кровле и стенах, а часто еще выпучиванием почвы.

В первом (благоприятном) случае говорят, что горное давление мало; во втором, наоборот, велико и условия неблагоприятные. Проходка выработки должна сопровождаться немедленным ее креплением. При несвоевременном креплении или недостаточной его жесткости процесс смещений в массиве, называемый сдвижением горных пород, будет распространяться вверх на всю мощность толщи пород над выработкой. В результате на поверхности образуется понижение – мульда сдвижения. Здания, оказавшиеся в ее пределах, испытывают неравномерные деформации и могут быть повреждены вплоть до разрушения. Проблема сдвижения г.п. особенно актуальна для территорий с большим количеством подземных выработок – шахт, рудников: Донбасс, Кузбасс, КМА, Подмосковный угольный бассейн и др. Такие территории называются «подрабатываемыми» и условия строительства на них сильно усложняются. В таком положении находятся участки городской территории над тоннелями метро и известны случаи деформации зданий на этих участках.

Таким образом, при подземных работах возникают два важных явления, или процесса – горное давление и сдвижение горных пород. Оба процесса относятся к инженерно-геологическим, так как развитие их и проявления зависят как от свойств массива г.п. (от всех факторов, которые в совокупности мы ранее характеризовали как инженерно-геологические условия), так и от технологии проходки выработки и применяемого крепления. Прогноз указанных процессов – важная задача ИГИз для подземного строительства.

Лекция 13. Геологические процессы, обусловленные действием отрицательной температуры

Читайте также: