» » Естественное напряженное состояние горных пород

Естественное напряженное состояние горных пород

02.08.2016

Горные породы в земной коре в естественном залегании находятся в напряженном состоянии, которое обусловлено действием двух силовых полей — гравитационного и тектонического, а также влиянием температурных градиентов и геохимических процессов. Напряженное состояние создается при формировании горных пород: магматических — при остывании и раскристаллизации магмы; осадочных — при гравитационном уплотнении осадков; метаморфических — при перекристаллизации первичных пород. Все эти процессы сопровождаются или результаты их в дальнейшем изменяются тектоническими движениями.
При отсутствии геологических нарушений напряженное состояние массива определяется массой вышележащей толщи пород и характеризуется компонентами напряжений по трем взаимно перпендикулярным направлениям — σx, σy, σz. При плотности породы у нормальное напряжение, действующее на некоторый элемент, равно массе вышележащего столба породы, т.е. σz = уН (H — высота столба пород). Так как рассматриваемый элемент окружен породами, испытывающими такие же напряжения, он не может расширяться в горизонтальном направлении. Возникают горизонтальные сжимающие напряжения σz и σy. В упругом изотропном массиве величины этих напряжений зависят от коэффициента поперечных деформаций (коэффициента Пуассона) породы:
Естественное напряженное состояние горных пород

где μ — коэффициент Пуассона; ξ = μ/1-μ — коэффициент бокового распора, изменяющийся от 0 до 1 (μ изменяется от 0,08 до 0,5). При максимальном значении коэффициента Пуассона σx = σy = σz, что соответствует гидростатическому распределению, напряжений в массиве.
В приповерхностных частях земной коры, где удельный вес вертикальной составляющей поля напряжений очень невелик, горизонтальные напряжения значительно превышают вертикальные. С увеличением глубины при постоянной величине горизонтальных сил значимость вертикальной составляющей повышается и на некоторой глубине распределение напряжений приближается к гидростатическому, а еще глубже вертикальные напряжения должны превысить горизонтальные.
Составляющие напряжения зависят от петрографических особенностей и физико-механических свойств горных пород, геолого-структурной приуроченности изучаемого массива. Так, избыточные горизонтальные напряжения наблюдаются в основном в породах кристаллического фундамента платформ и складчатых комплексов. В породах осадочного чехла они встречаются реже и только на значительной глубине.
Естественное напряженное состояние горных пород

Распределение составляющих напряжения зависит от трещиноватости горных пород, их выветрелости, а также от разгрузки, возникающей вследствие процессов денудации и эрозии. Распределение горного давления связано с рельефом местности (рис. 3.33). На дневной поверхности компоненты напряжений, нормальные и касательные к поверхности, обращаются в нуль. Вблизи поверхности горизонтальная составляющая напряжения значительно превышает вертикальную. Вблизи дна долины горизонтальные компоненты горного давления заметно возрастают, так как расположенный здесь участок массива должен удерживать напор склонов. При удалении в стороны от оси долины компоненты напряжения, параллельные поверхности, уменьшаются. В глубине массива возрастает значение вертикальной компоненты горного давления.
Абсолютные величины и распределение напряжений в конкретных массивах могут быть совершенно различными, отличающимися от общих закономерностей. Они зависят не только от направления и величины тектонических сил, степени и характера тектонической нарушенности массива. Ведущими факторами являются трещиноватость, чередование пород в разрезе, неоднородности структурно-текстурных характеристик и физико-механических свойств горных пород, а также особенности строения рельефа, геотермические условия и др. Существенно влияют на величину и распределение естественных напряжений тектонические разломы. Как правило, перед фронтом дизъюнктива величины напряжений увеличиваются, а в зоне смещений резко снижаются (рис. 3.34).
Естественное напряженное состояние горных пород

Знание начальных напряжений в массиве имеет большое значение для правильного проектирования и ведения горных работ. В складчатом массиве, где напряжения не вполне выравнились в течение геологического времени, в зонах сводов вертикальная составляющая заметно ниже, так как своды принимают на себя часть нагрузок от вышележащих пород (рис. 3.35). Во впадинах и под ними вертикальная составляющая горного давления повышена вследствие передачи на эти участки части нагрузки от вышележащих пород, воспринятой сводами. Если в направлении, пересекающем полную складку, проводить горные выработки, то возможно повышение горного давления в районе впадины и понижение под сводами.
Естественное напряженное состояние горных пород

При расположении выработок вдоль прямой, параллельной направлению наибольшего сжатия, может возникнуть соединяющая выработки система трещин. Если же выработки ориентированы под углом к направлению наибольшего сжатия, то трещины сливаться не будут (рис. 3.36).
При действии в массиве высоких горизонтальных сжимающих напряжений, как отмечает P.Л. Салганик, можно увеличивать пролеты камер, поскольку сжатие, направленное вдоль их потолка, предотвращает его обрушение. В таких условиях создают незакрепленные камеры с большим отношением их протяженности к высоте.
При существенном различии горизонтальных сжимающих напряжений по величине горизонтальные выработки следует ориентировать с учетом этого обстоятельства. Направление действия наибольшего горизонтального сжимающего напряжения с позиций устойчивости является самым благоприятным при проведении горизонтальных подготовительных выработок. Распределение напряжений необходимо учитывать и при проведении вертикальных выработок.