Учебно-методический комплекс дисциплины преподавателя (стр. 7 )

Очевидно, характер и интенсивность напряжений, возникающих в земной коре, столь же различны, насколько различен механизм тектонических процессов, обусловленных перечисленными причинами. Тем не менее, в настоящее время в геомеханике принято обобщать эти напряженные состояния и пользоваться термином «тектонические напряжения» без подразделе­ния на разновидности.

Итак, в этом толковании тектоническими напряжениями будем называть напряжения в земной коре, обусловленные приложением внешних усилий к земной коре в целом или к ее участку.

Своеобразие земной коры, отличающее ее от других твердых тел и конструкций (к примеру, от ее физической модели), заключается в том, что она имеет длительную и активную геологическую историю. Обращая внимание только на интересующий нас аспект, можно отметить, что на определенных этапах развития земной коры в результате тектонических процессов в ней периодически возникали все новые тектонические поля напряжений, которые взаимодействовали с существовавшими. В одних случаях это приводило к новым, более сложным полям напряжений, в других — новые поля полностью замещали старые.

Такие циклы повторялись многократно (продолжаются они и в наши дни), в результате современное напряженное состояние земной коры представляет собой пространственную и временную интегральную картину.

Итак, возвращаясь к высказанным несколько ранее общим положениям, можно считать тектонические поля напряжений больше динамическими системами и в некоторой мере — статическими. Последнее основано на допущении, что в массивах горных пород могут сохраняться некоторые, как их назвал , латентные поля напряжений, представляющие собой остаточные проявления замещенных полей, а также специфический результат взаимодействия множества последовательно возникавших полей (например, так называемая «память горных пород»).

Динамическая составляющая тектонических полей напряжений обусловлена действующими современными процессами.

Следовательно, методика определения тектонических полей напряжений в массивах пород должна учитывать описанные положения и предусматривать возможность дифференциации их по указанным признакам.

В отдельных случаях, например, когда первоначальные поля напряжений в результате последующих тектонических процессов полностью замещены новыми полями, первые могут быть отнесены к ретроспективным системам. Однако, с точки зрения горной геомеханики, они мало значимы и в этом своем качестве нас практически не интересуют.

Гидростатические напряжения.

Массивы горных пород на тех уровнях, которые доступны для разработки полезных ископаемых, часто обводнены. Жидкость в горных породах может присутствовать в виде свободной, гидравлически связанной (трещинной) и поровой. В массиве возникают дополнительные напряжения, обусловленные массой столба жидкости, взвешивающим эффектом жидкости, поровым давлением (давлением внутрипоровой жидкости на стенки пор).

Исходя из этого, можно считать: если напряжения (без тектонических) в массиве выше уровня подземных вод определяются равенствами, то ниже этого уровня полное вертикальное напряжение будет находиться по зависимости

Эффективное напряжение (в СИ измеряется в МПа) может быть определено из выражения

Таким образом, вертикальная составляющая суммарных (гравитационного и гидростатического) полей напряжений

Следует заметить, что при выводе зависимости предполагалось, что вся толща пород передает гидростатическое давление или поровое давление в непроницаемых слоях, входящих в разрез, приближается по величине к гидростатическому. Однако, во многих случаях поровое давление в водоупорах отличается от гидростатического, и это обстоятельство следует учитывать при оценке напряженного состояния таких слоев или расположенной под ними толщи пород.

Количественная оценка естественных напряжений в массивах пород

По природе и структуре естественные поля напряжений в массивах горных пород носят интегральный характер. В качестве основных взаимодействующих составляющих выделены гравитационные, гидростатические и тектонические напряжения.

В общем случае полный тензор естественных напряжений может быть записан в следующем виде:

В частном случае массива скальных необводненных пород, когда гидростатические усилия отсутствуют, а поровое давление ничтожно, уравнения (2.58) принимают более простой вид:

Уравнения позволяют определять главные напряжения естественного поля при наличии сведений по параметрам, входящим в правые их части, и, тем самым, прогнозировать напряженное состояние новых или эксплуатируемых участков.

Рис. 2. Проекции векторов напряжений на плоскости прямоугольной системы координат

Более широкое применение эти уравнения могут найти при определении параметров тектонических полей напряжений на основе непосредственных измерений полных естественных напряжений. При этом следует помнить о специфике тектонических полей напряжений, указанной в предыдущем разделе. При решении уравнений и эта специфика может выразиться в отсутствии линейной связи между компонентами (главными напряжениями) тектонических напряжений, между градиентами нормальных напряжений s и, наконец, в отсутствии единой закономерности изменения зависимости вида s = f(H) Для всех трех напряжений.

Во избежание ошибок результаты определения компонент тектонических напряжений и их градиентов с глубиной следует анализировать с позиций статических, динамических (возможно, и ретроспективных) и тектонических систем.

Рекомендуемая литература: основная [1-10], дополнительная [11-15].

Контрольные задания для СРД (тема 3) [1, 4-10]

1. Объяснить какие природные напряжения воздействуют на массив

2. Дать понятие - гравитационные поля напряжений

3. Дать понятие - тектонические поля напряжений

4. Дать понятие - гидростатические напряжения

5. Количественная оценка естественных напряжений в массивах пород.

Раздел 4 Напряженное состояние горных пород и проявления горного давления вокруг капитальных и подготовительных выработок.

Тема 4 Напряженное состояние горных пород и проявления горного давления вокруг капитальных и подготовительных выработок (4 часа)

План лекции

1. Основные факторы, определяющие напряженное состояние пород вокруг капитальных и подготовительных выработок

2. Аналитическое определение напряженно-деформированного состояния горных пород вокруг одиночных выработок

3. Напряженное состояние пород в условиях взаимного влияния выработок

4. Типы проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках

Основные факторы, определяющие напряженное состояние пород вокруг капитальных и подготовительных выработок

Проведение выработок вызывает изменение начального поля напряжений массива горных пород. В общем случае характер образующегося поля напряжений вокруг выработок зависит от совокупного действия многих взаимосвязанных факторов, которые можно подразделить на несколько групп.

Первую группу факторов составляют пространственно-геометрические параметры рассматриваемых выработок. К ним прежде всего относятся форма и размеры поперечного сечения, соотношение длины, ширины и высоты выработки, близость соседних параллельных и наличие пересекающихся выработок и пр.

Ко второй группе относятся деформационные характеристики пород, непосредственно окружающих выработку, поскольку именно эта часть массива воспринимает дополнительные нагрузки при образовании выработок.

Третья группа факторов охватывает особенности начального поля напряжений в массиве, т. е. до проведения выработок.

Наконец, четвертую группу факторов составляют характеристики воздействия на породы вокруг выработки в процессе ее проходки и дальнейшей эксплуатации. Наибольшее значение среди факторов этой группы имеют динамические нагрузки во время взрывных работ при проведении выработок или вблизи них, а также изменение свойств пород под влиянием процессов выветривания — движения воды и воздуха, изменения температурного режима и др.

Учесть в равной мере все выделенные группы факторов при определении напряженного состояния пород вокруг выработок не представляется возможным. Наиболее полно могут быть учтены факторы первой и третьей групп, поскольку разработаны аналитические (на базе методов механики сплошной среды) и экспериментальные методы определения компонент напряжений и деформаций вокруг выработок при любых статических нагрузках и конфигурациях поперечных сечений. В меньшей степени учитываются факторы второй группы, так как разработанные аналитические методы, как правило, основаны на использовании упругих моделей массива или предполагают приведение к режимам упругого деформирования (например, в случае учета развития деформаций во времени — ползучести пород).

Четвертую группу факторов при определении напряженного состояния пород вокруг выработок пока учитывают лишь качественно. Аналитические методы оценки влияния факторов этой группы еще практически вовсе не разработаны, а экспериментальные разработаны в недостаточной степени.