Естественное поле напряжений массива – гравитационно-тектоническое

Вертикальные выработки.

Как следует из общих закономерностей распределения напряжений вокруг выработок, в неравно-компонентном поле напряжений (s₁; s₂) вообще, а при действии тектонических напряжений s₁=s_Т, в частности, наиболее устойчивой формой поперечного сечения является эллиптическая. Об этом, в частности, свидетельствуют типичные формы сечений вертикальных выработок (рудоспусков) Центрального рудника ОАО «Апатит» после нескольких лет эксплуатации (рис.3.23).

Рис. 3.23. Типичная форма сечения вертикальной выработки (рудоспуска) в условиях неравнокомпонентного поля напряжений (Рудник «Центральный» ОАО «Апатит»)

При этом длинная ось эллипса должна быть ориентирована параллельно вектору напряжения s_Т. Для создания равномерного распределения напряжений по всему контуру выработки соотношение большой и малой полуосей эллипса (a и b) должно быть a / b = s₁/s₂.

Горизонтальные выработки.

В условиях действия в массиве тектонических напряжений s₁=s_Т, существенно превышающих гравитационные напряжения, важную роль играет ориентация капитальных и подготовительных выработок, относительно направления действия тектонических сил. Их рационально ориентировать в направлении, наиболее близком к направлению действия тектонических сил. В этом случае нормальные напряжения на контуре распределяются более равномерно по периметру выработки (рис. 3.24) и в направлении, нормальном к продольной оси выработки, составляют около s_q = 0,76 s₁, а в направлении, совпадающем с осью выработки, равны s_n = s₁.

Рис 3.24. Распределение напряжений на контуре горизонтальных выработок, пройденных по направлению действия горизонтальных тектонических сил (а) и перпендикулярно к этому направлению (б).

s₁ — горизонтальные тектонические силы; s_q — тангенциальные напряжения s_n — напряжения, направление которых параллельно оси выработки.

Для сравнения, при ориентации выработки в направлении, перпендикулярном действию тектонических сил, s_q = 0,76 s₁, а s_n = 2.66 s₁.

Отсюда следует, что горизонтальные выработки в условиях неравнокомпонентного поля напряжений относительно более устойчивы, когда их наибольший размер (длина выработки) расположен вдоль действия s₁=s_Т.

Если же горизонтальные выработки по условиям технологии невозможно расположить в оптимальном направлении, то им целесообразно придавать шатровую форму свода (рис. 3.25), которая наиболее устойчива вследствие уменьшения размеров зоны хрупкого разрушения пород на контуре. Параметры расчетного контура сечения определяются соотношениями: m = (0,10 - 0,15)d; r = 0,75d, d' = 0,9d.

Рис 3.25. Шатровая форма свода горизонтальной выработки

а — общий вид, б — схема построения расчетного контура сечения

Выбор устойчивых форм поперечных сечений горизонтальных выработок также необходимо производить с учётом действия s_Т (рис.3.26). В частности, при субгоризонтальном направлении s_Т более устойчивы выработки с шириной больше высоты и с уменьшенным подъёмом свода, а также с шатровой формой поперечных сечений (рис. 3.26 а,в). При наклонном направлении s_Т более устойчивы выработки со скошенным сопряжением кровли и стенки или со смещённым положением шатровой кровли (рис. 3.26 б,г).

Рис. 3.26. Устойчивые формы поперечного сечения выработок при горизонтальном и наклонном направлении действия максимальных напряжений.

а – плоская кровля; б – кровля со скошенным сопряжением кровли со стенкой; в - шатровая; г – кровля со смещённым шатром.

При субвертикальном направлении s_Т целесообразно применять формы поперечного сечения, показанные на рис. 3.27.

Рис.3.27. Устойчивая форма сечения выработки при субвертикальном действии максимальных напряжений.

При сбойке вертикальных и горизонтальных выработок в тектонически напряжённом массиве места сбойки необходимо назначать в наименее напряженных зонах (рис. 3.28).

Рис 3.28. Условия сбойки горизонтальных выработок

а и б — рекомендуемые варианты, в — неблагоприятный вариант; 1 — горные выработки, 2 — контур зоны повышенных напряжений

При этом в зависимости от соотношения конкретных величин действующих напряжений и прочностных характеристик массива пород в выработках могут иметь место различные типы проявлений горного давления – статические или динамические.

Всё изложенное позволяет сделать общий вывод о том, что весьма эффективным средством управления состоянием массива пород вокруг вертикальных и горизонтальных выработок является выбор оптимальной формы их поперечного сечения и оптимальная ориентация сечений и самих выработок в пространстве.