S&T (Super Tehnology)

Анализ исследований в области пучения пород почвы показал, что чрезмерная простота, излишняя идеализация исходных предпосылок, заложенных в расчетные физические модели, не позволяют получить аналитические зависимости, адекватно отражающие процессы, происходящие в приконтурном массиве. Учитывая некоторые специфические особенности процесса вспучивания пород почвы в выработках, в это явление рассмотрено с позиций потери упругопластической устойчивости приконтурного массива, в окрестности одиночной горизонтальной выработки.

Выражение (1) определяет возможность перехода породного массива вокруг выработки из одного устойчивого равновесного состояния в другое, сопровождающееся вспучиванием пород почвы. Физическая суть отношения (1) состоит в следующем. В процессе неупругого расширения пород в замкнутом объеме с жесткими внешними размерами (г = гь) происходит перемещение внутреннего контура (г = 1). До тех пор, пока эти перемещения не достигнут некоторой критической величины, внутренний контур сохраняет первоначальную форму. При достижении же критических значений перемещений происходит резкое искажение формы внутренней границы, сопровождающееся уменьшением уровня потенциальной энергии в приконтурной зоне и большими перемещениями на контуре выработки. Условие отсутствия пучения пород почвы в выработке имеет вид:

Функция связи между величинами, входящими в условие (1) в явном виде аппроксимируется относительно гI с высокой точностью в пределах реальных значений степенным выражением:

Являясь хорошо обоснованным с точки зрения физики протекания процесса, предложенный критерий не совсем удобен, поскольку определить величину гь с достаточной точностью в условиях эксплуатируемых выработок практически невозможно.

Наиболее удобным показателем с точки зрения оценки состояния выработки и окружающих ее пород является смещение контура выработки, которое легко можно измерить в натурных условиях. Это является логичным также и потому, что смещения контура выработки являются следствием объемного расширения пород в ЗНД, ограниченной радиусом неупругих деформаций г*, и функционально связаны со средним значением относительного увеличения объема . Таким образом, относительное увеличение объема в области породного массива вокруг выработки ограниченной критическим радиусом области пластических деформаций г*, приводит к критическим смещениям контура выработки и*, после чего происходит резкое искажение формы внутренней границы, и возникают большие перемещения на контуре выработки - начало неуправляемого процесса пучения.

Определение перемещений на контуре выработки с учетом объемного расширения пород в ЗНД.

Покажем, как связаны перемещения на контуре выработки и с относительным увеличением объема в зоне пластических деформаций, ограниченной радиусом гь.

Рассмотрим область однородного изотропного упругого породного массива в окрестности длинной одиночной горизонтальной выработки кругового очертания, расположенной на глубине Н от земной поверхности и не испытывающей влияния очистных работ (рис. 1). Отпором крепи Р0 в данном случае пренебрегаем. Как показано в отпор крепи чрезвычайно мало влияет на размеры области неупругих деформаций, поскольку величина его на глубоких горизонтах шахт несоизмеримо меньше гравитационного давления н.

В направлении осей Х и У на бесконечности приложены внешние равномерно распределенные нагрузки. Принимаем величину этих нагрузок равными - случай гидростатически сжатого породного массива (л = 1). Поскольку перемещение породного массива в направлении продольной оси выработки невозможно, рассматривается случай плоской деформации.

В момент образования контура (до начала смещений пород) выработка имеет радиус Я0 и условную границу раздела упругих и пластических деформаций Яь. Величина внешних нагрузок такова, что со временем вокруг выработки образуется область пластических деформаций, полностью охватывающая ее контур и имеющая круговое очертание. Размеры этой области составляют от десятков сантиметров до 10.12 м и более и определяются, главным образом, структурными и прочностными свойствами вмещающих пород и глубиной, на которой расположена выработка. Границами зоны нарушенных пород являются: внутренней - породное обнажение (крепь выработки), внешней - упруго деформированная ненарушенная часть породного массива. Наиболее нарушенными являются породы, находящиеся непосредственно на контуре выработки.