» » Обоснование физических процессов, протекающих вокруг горных выработок

Обоснование физических процессов, протекающих вокруг горных выработок

07.08.2016

С 1925 по 1938 гг. накапливались опытные данные о проявлениях горного давления при подземной добыче полезных ископаемых. Факторы, влияющие на проявление горного давления в лавах угольных шахт, были разделены на две группы: естественные и искусственные. На основе опытного изучения влияния указанных факторов разрабатывались практические рекомендации по управлению горным давлением. Дальнейшее развитие теория сводообразования над очистным пространством угольного пласта получила в работе В.Д. Слесарева. Его учение 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 В. Риттером, М.М. Протодьяконовым и др.
В 1937 г. Дж. Спелдинг на основании непосредственных измерений деформаций в выработках рудника «Чемпион Риф» (Индия) описал эффект разгрузки начальных напряжений, которые угасает с удалением вглубь 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 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 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. 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 аргументировано доказал, что выработка окружена тремя зонами: пониженного давления (зона Тромпетера); повышенного давления; естественных напряжений, имевших место до проведения выработки. Из посылок Р. Феннера и А. Лабасса следует, что действующие в массиве напряжения определялись ими по величинам деформаций растяжения и сдвига. К сторонникам «гипотез деформаций» можно отнести также и известных теоретиков К.В. Руппенейта и В.М. Либермана.
С 1944 по 1961 гг. было опубликовано множество работ о горных ударах при строительстве туннелей, добыче руды на свинцово-цинковых рудниках Блайберга и др. С.Г. Авершин, Р. Квапил, Р.Г. Моррисон и др. 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. Р. Квапил считает, что горный удар - это освобождение породы от напряжения, сопровождающееся мгновенным переходом аккумулированной потенциальной энергии в работу за пределом упругости и прочности породы.
С.Г. Авершин исходил из того, что упругие силы, деформируя тело, совершают работу, которая равна сумме произведений этих сил на деформации, ими вызываемые. Горные удары возникают в областях перенапряжения массива, попадающих в зоны опорного давления. 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 сменяются выравниванием его до вертикального направления, и затем траектории отклоняются от выработки и снова выравниваются до вертикали на расстоянии, равном высоте выработки. 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 дал 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. 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 вглубь массива уровень потенциальной энергии снижается до начального, тем самым объясняя сущность 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. Автор выявил, 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 мира: Горной Шории, Донбассе, Саянах, Казахстане, Кольском полуострове, Урале, Алтае, Курской магнитной аномалии, а также Норвегии, Шпицбергене, Ирландии, Канаде, Африке, Юго-Восточной Австралии, Исландии, Альпах, Португалии, Малайзии, 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 к мысли о существовании в земных недрах независимого поля тектонических напряжений. Полный тензор напряжений на глубине H от земной поверхности состоит из двух независимых составляющих: гравитационных и тектонических напряжений. Введение в теорию горного давления тензора тектонических напряжений еще более усложнило раскрытие закономерностей, связанных с образованием поля напряжений в массиве пород до и после нарушения его равновесия горными работами.
С 1974 по 2010 гг. в научно-технической литературе публиковались работы А.В. Савостьянова, касающиеся теоретических основ управления состоянием массива горных пород. Выполнив анализ основных механических свойств осадочных горных пород, и произведя физическое моделирование на эквивалентных и оптико-поляризационных материалах, автор получил закономерности сдвижения слоистого массива, которые были подтверждены производственными данными. Для моделирования сдвижения слоистых пород использовались законы сопротивления материалов, которые рассматривались в виде балок-полосок, лежащих на податливом основании. Особенностями расчетов напряженно-деформированного состояния слоя породы при изгибе являлось то, что изменение нормальных напряжений как в зоне предельного состояния, так и от максимума до напряжений ненарушенного массива практически, подчинялось линейному закону. В результате анализа влияния природных, технологических и временных факторов на состояние массива горных пород установлено, что эпюры нагрузок, формирующиеся вокруг очистных и подготовительных выработок, состоят из нескольких зон опорного давления. То есть прослеживалась тенденция увеличения количества зон разгрузки-концентрации напряжений с возрастанием прочности пород и упругих деформаций.
В.Ф. Лавриненко, основываясь на фундаментальные законы физики, на протяжении 1975-1999 гг. разработал термодинамическую теорию, раскрывающую закономерности формирования напряженного состояния, физических свойств и температуры пород ненарушенного и нарушенного массива в изменяющихся с глубиной термобарических условиях земных недр. Напряженное состояние пород ненарушенного массива формируется под действием гравитационного давления, обусловленного весом налегающей толщи пород и самопроизвольных процессов, связанных с перераспределением потенциальной энергии упругой деформации. На рассматриваемой глубине H от земной поверхности исходный единичный объем породы (термодинамическая система), подвергаясь сжатию гравитационным давлением σz = уН, изменяет параметры своего состояния.
В связи с уплотнением вещества объем, занимаемый системой на глубине Н, равен vi = Ky-1, а плотность - γi = γoKy. При этом Vi ≤ Vo, а γi ≥ γo. Следовательно, вертикальная компонента гравитационного давления пород на глубине M будет равна σz = KyγoH; здесь Ky - среднее значение коэффициента уплотнения породы в рассматриваемом интервале глубин H = 0 и H = Hi. С учетом уплотнения породы коэффициент Пуассона при объемном напряженном состоянии μ = 0,5-(Ky-1)[6Ky(l-Ky-0,33)] Горизонтальные компоненты (реактивные) гравитационного давления в этом случае по абсолютной величине равны: σx = σy = μ(1-μ)-1σz. При μ ≤ 0,5; σz ≥ σx, то есть внешние напряжения, действующие в различных частях термодинамической системы, неодинаковы. Сжатие системы - единичного объема породы, силами гравитации сопровождается объемной деформацией Δv = (Ky-1)Ky-1. Таким образом, породы, залегающие на разных глубинах, представляют собой деформированные (по сравнению с исходным состоянием) твердые тела. Упругие потенциальные напряжения Δσx(y) = Δσy(y), действующие в горизонтальной плоскости, по абсолютной величине больше чем Δσz(y).
Прикладные аспекты теории позволяют определять абсолютное значение радиальных и тангенциальных реальных напряжений по мере приближения к контуру выработки от границы зоны разгрузки напряжений. Принимая во внимание, что теория объясняет причины деформирования свода равновесия в кровле, пучения в почве и обвалы в боковых стенках, механизм возникновения полей реальных напряжений за пределами массива зоны разгрузки, примыкающей к выработке, остался вне поля исследования. Проблематика, выражающаяся в использовании энергии горного давления в процессе подготовки, нарезки, очистной выемки запасов блоков при взаимном влиянии более сложной сети выработок за пределами зоны разгрузки и наложения зон концентрации напряжений, является неизученной и не позволяет системно управлять технологиями добычи руды.
Используя классификационный признак «состояние исследуемого массива», проанализированные научные теории горного давления на подземные выработки были разделены на 3 основных класса: сил, деформаций и состояний массива. Теории сил содержат группы гипотез состояния свода, балок и плит (табл. 1.6). Теории деформаций содержат группы гипотез разрушения, релаксации, ползучести нарушенного массива, а группу гипотез состояния - термодинамическую теорию. Соответственно, разработкой теорий сил занимались П. Шульц, А. Гейм, Дж. Талобр, В. Риттер, Ф. Энгессер, Н. Фейоль, Г. Манцель, В. Тромпетер, О. Коммерель. Приверженцами теорий деформаций являются А. Леон, М.М. Протодьяконов, Ф. Левинсон-Лесинг и А. Зайцев, А.Н. Динник, Дж. Спелдинг, Р. Феннер, А. Лабасс, В.Д. Слесарев, Р. Морисон, К.В. Руппенейт, С.Г. Авершин, Р. Квапил, Н. Хаcт, А.В. Савостьянов. К исследователям состояний массива с термодинамической теорией относится В.Ф. Лавриненко (Украина), который показал принципы развития теоретических представлений от термодинамических к энтропийным и энергетическим. Однако других теорий, описывающих энергетическое состояние массива, до сих пор не разработано.
Обоснование физических процессов, протекающих вокруг горных выработок

Анализ научных результатов и основных недостатков проклассифицированных теорий, как фундаментальной компоненты предмета исследования, показал, что зональное состояние массива было выявлено еще в 1899 году В. Тромпетером и далее описывались лишь отдельные процессы данного явления. Это привело к тому, что многие теории не согласуются между собой, а некоторые из них противоречат законам физики. Классификация показала, что результаты выполненных исследований не позволяют определить количество, форму, размеры зон разгрузки-концентрации напряжений и областей деформации массива и т.д. Ни одна из теорий, за исключением термодинамической, не только не дает ясного ответа о начальном ненарушенном и нарушенном выработками напряженном состоянии массива, но даже не сформировала определенного подхода к нему. Об учете закономерностей энергетического обмена в примыкающем к выработке массиве с увеличением глубины разработки речь не идет в принципе. Это говорит о необходимости развития современных теоретических представлений с целью открытия физической сущности явления, описывающего зональное состояние массива, что позволило бы решить проблему использования энергии горного давления при креплении и поддержании выработок.