Напряженное состояние массива горных пород

Федеральное государственное бюджетное  учреждение науки

Институт  горного дела

Уральского  отделения Российской академии наук

(ИГД  УрО РАН)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Напряженное  состояние массива горных пород»

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель:

доктор  техн. наук.

Зубков  А.В.

 

Выполнил:

Сентябов С.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2012г.

Содержание:

1 Состояние изученности  вопроса	3
2 Гипотеза гидростатического сжатия	3
3 Гипотеза преимущественного действия  в массиве пород гравитационных сил	3
4 Гипотеза действия в массиве  наряду с гравитационными сжимающих или растягивающих тектонических сил преимущественно субгоризонтальной ориентации	5
5 Закономерности формирования  напряженно–деформированного состояния  массива	7
Список  литературы	18

 

1 Состояние изученности вопроса 

Земная кора в целом и верхняя  ее часть, как область представляющая практический интерес, в пределах которой ведутся горные работы, подвержена действию различных механических силовых полей, т. е. находится в некотором напряженном состоянии. Основными являются два независимых силовых поля: гравитационное, обусловленное действием закона всемирного тяготения Ньютона, и тектоническое, связанное с неравномерным распределением в пространстве скорости тектонических движений и как следствие скорости деформаций земной коры т. е. наличием градиента тектонических движений. Кроме того, в различных участках земной коры возможно проявление локальных силовых полей, связанных с неравномерностью тепловых потоков, порождающих дополнительные механические напряжения, действием подземных напорных вод и т. д. В сейсмически активных районах, а так же при ведении массовых взрывов возможно наложение на статические силовые поля кратковременных динамических полей, которые в ряде случаев существенно влияют на устойчивость горных конструкций.

Существуют несколько гипотез  горного давления, определяющих состояние  массивов горных пород в различных  условиях.

2 Гипотеза гидростатического сжатия выдвинута в 1878 г. швейцарским ученым А. Геймом на основе результатов наблюдения за проходкой трансальпийских туннелей. Согласно этой гипотезе, все 3 составляющие главных напряжений действующих на элемент массива в этих условиях равны между собой и не превышают сил тяжести столба налегающих пород:

 

==_z-рgH=-gH,

 

где ,,_z - составляющие главных напряжений, Па;

р-плотность налегающих горных пород, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

g - удельный вес пород, Н/м ;

Н - мощность налегающих горных пород, м.

Такое напряженное состояние характерно для жидкостей. Считается, что массив горных пород на больших глубинах (1000 м и более) находится в аналогичном состоянии.

 

3 Гипотеза  преимущественного  действия  в  массиве  пород  гравитационных  сил выдвинута А. Н. Динником и независимо от него К. Терцаги. Так на состоявшейся в апреле 1951 г. в г. Льеже (Бельгия) Международной конференции по горному давлению были заслушаны большая серия докладов и ряд выступлений ведущих специалистов по вопросам горного давления стран Западной Европы. В качестве сил, обуславливающих горное давление, все они рассматривали исключительно гравитационные силы, действующие в земной коре. Ни в докладах, ни в дискуссии не поднимался вопрос о существовании в горных массивах сил, отличных от гравитационных. Профессор Л.Доноэль (Бельгия) в "Обзоре теории горного давления" подчеркивал: "первоначальное напряжение в горных породах является результатом их веса и возрастает пропорционально глубине". Профессор Г.Шпаккелер (Германия) отмечал, что явления, происходящие в породах, управляются действием их веса. Французский ученый П.Гинар в своем сообщении о горном давлении на железных рудниках Лотарингии исходил из положения, что напряжения в массиве пород подчиняются закономерностям, определяемым гипотезой о гравитационном поле напряжений.

Аналогичных взглядов к середине 60-х  годов придерживаются известные зарубежные геомеханики: Г.Эверлинг, О.Якоби, Р.Феннер. В 20-60-е годы теоретические представления о природе горного давления на основе гравитационной гипотезы, о напряженно-деформированном состоянии верхнего слоя земной коры, о силах, обуславливающих горное давление сформулированы и советской школой геомехаников: М.Протодьяконовым, А.Динником, Л.Шевяковым, П.Цимбаревичем, В.Слесаревым, К.Руппенейтом, В.Давидянцем. Исходя из модели горной породы как дискретной среды М.Протодьяконов, еще в начале века, сформулировал применительно к определению давления на крепь горизонтальных подготовительных выработок гипотезу свода, которая нашла в свое время широкое применение в среде геомехаников и горных инженеров. Дальнейшее развитие уже на уровне знаний конца XX века гипотеза М.Протодъяконова получила в работах специалистов ИГД СО РАН (Е.Шемякина, С.Стажевского, А.Ревуженко). В конце 20-х годов А.Динник, полагая, что горные породы можно моделировать упругим телом, сформулировал теоретические основы гравитационной гипотезы и получил формулы для вычисления компонент тензора напряжений в массиве пород, а также вывел широко известную формулу о боковом распоре в условиях действия гравитационных сил. Согласно этой гипотезе, вертикальные напряжения превышают по величине горизонтальные, а последние равны между собой в различных направлениях и определяются величиной коэффициента Пуассона:

 

==_z-рgH=-gH,

 

где ,,_z - составляющие главных напряжений, Па;

- коэффициент бокового распора  (определяемый коэффициентом Пуассона);

р-плотность налегающих горных пород, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

g - удельный вес пород, Н/м³;

Н - мощность налегающих горных пород, м.

Описанные представления сводились  к выводу, что земная кора находится  в равновесном состоянии и  единственной причиной напряжений в  горных породах является гравитационная сила. Напряжения в земной коре, даже если они изменяются под действием каких-либо факторов, со временем релаксируют, выравниваются. В итоге, по мнению академика Л.Шевякова, "поле напряжений в нетронутом массиве горных пород оказывается достаточно простым". Гипотеза позволяла выполнять теоретические расчеты в практике ведения горных работ, получила развитие в научной и методической литературе по горному делу, нашла отражение в учебной литературе.

Таким образом, вопрос о силах, обуславливающих  горное давление и напряженное состояние  верхних слоев литосферы, казался  ясным и очевидным - это гравитационные силы, вес горных пород в гравитационном поле Земли.

 

4 Гипотеза действия в массиве наряду с гравитационными сжимающих или растягивающих тектонических сил преимущественно субгоризонтальной ориентации. Создание современных инструментальных методов исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород породило серию открытий высоких горизонтальных напряжений в некоторых участках верхних слоев земной коры в пределах всех континентов. Было установлено, что горизонтальные составляющие напряжений, как правило, превышают величину вертикальной компоненты и не равны между собой. Тогда как согласно гравитационной гипотезе Динника, горизонтальные напряжения должны быть меньше вертикальных и равны во всех направлениях. Таким образом, экспериментальные результаты разошлись с предсказаниями существовавшей теории.

Повышенные горизонтальные напряжения были экспериментально зарегистрированы в период 1960-1980 гг. В геомеханической литературе принято считать, что повышенные горизонтальные напряжения впервые экспериментально обнаружил шведский геомеханик N.Hast при измерениях в Скандинавии. Высокие горизонтальные напряжения, в 5-10 раз превышающие вертикальные, зарегистрированы И.Турчаниновым, Г.Марковым, А.Козыревым и другими в апатитовых рудниках Кольского полуострова в 1966 г. Повышенные горизонтальные напряжения обнаружены С.Ватутиным, А.Шаманской, П.Егоровым на Таштагольском железорудном месторождении в Горной Шории (1966, 1967,1968). Высокие горизонтальные напряжения, регистрируются с 1968 г. А. Зубковым, А. Сашуриным и другими сотрудниками ИГД УрО РАН на ряде рудников Урала. Повышенные горизонтальные напряжения, превышающие вертикальную компоненту, установлены в пределах территории СНГ: на Душанбинском полигоне, в Джезказгане, на Урале, в горнорудных районах Средней Азии, на месторождениях Курской магнитной аномалии, на рудниках Норильска, в рудниках Забайкалья, на месторождениях Приморья. Высокие горизонтальные напряжения широко регистрировались и за рубежом: в Южной Африке, США, на территории Канады, в Европе, Японии, Китае, Корее, Скандинавии. Обзор экспериментальных данных по измерению естественных напряжений по состоянию на 1970 г. выполнен Н.Булиным, который отметил, что "в континентальных областях земной коры преобладает поле общетектонического сжатия; на участках чехла платформ и в образованиях фундамента наибольшее главное напряжение близко к вертикальному".

Поток описанных открытий в геомеханике свидетельствует о разнообразии видов напряженно-деформированного состояния массивов горных пород. Земная кора постоянно испытывает сдвиговые воздействия, связанные с ротационными эффектами и приливными волнами в литосфере, с тектоническими движениями отдельных ее участков, сейсмическими процессами, движениями магматических масс, изменениями тепловых полей. По существу земная кора представляет собой своеобразную механодинамическую систему как отмечает специалист-геомеханик А.Леонтьев, находящуюся под воздействием массовых сил различной природы, порождаемых разнопериодными процессами глобального масштаба. При этом различные типы движений земной коры накладываются друг на друга, оставляя следы своего воздействия во всей толще пород, в конечном счете отражаясь в структуре слагающих ее породных массивов.

Силы, ответственные за повышенные горизонтальные напряжения в земной коре, установленные в результате экспериментальных инструментальных измерений, специалисты-геомеханики договорились называть тектоническими силами. Их природа отлична от гравитационных. Возможность существования таких сил в земной коре впервые теоретически предсказал советский ученый академик М.Гзовский в 1954 г. Но эти результаты тогда остались незамеченными. Открытие тектонических сил, действующих в отдельных участках земной коры, привело к коренному пересмотру основ современной геомеханики. Гипотеза тектонических сил позволила по новому подойти к вопросам горного давления, к проблеме горных ударов. Стало ясно: напряжения, обусловленные тектоническими силами, рассчитать невозможно, в отличие от напряжений, связанных с гравитационными силами:

= -pgH

= K_p+T₁

= K_p+T₂

 

где ,,_z - составляющие главных напряжений, Па;

К_р- коэффициент бокового распора (определяемый коэффициентом Пуассона);

р-плотность налегающих горных пород, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

Н - мощность налегающих горных пород, м;

T₁, T₂ - главные статические составляющие тектонических сил, Па.

 

Их необходимо измерять. Если в  условиях гравитационной гипотезы расчет исходных (начальных) напряжений был  проблематичен вследствие неоднородности свойств массивов пород, то теперь добавился непредсказуемый силовой фактор - тектонические напряжения, о природе которых мало что известно.

Наличие высоких тектонических  напряжений в пределах некоторых  месторождений полезных ископаемых потребовало от горняков учитывать этот новый природный геомеханический фактор при планировании и ведении горных работ, при выборе способов управления горным давлением. Стало очевидным, что правильно запроектировать сеть вскрывающих подготовительных выработок на новом месторождении нельзя, не изучив параметры реального поля напряжений. Дело в том, что в целях обеспечения устойчивости основных вскрывающих выработок, их необходимо располагать в направлениях, совпадающих с ориентацией максимального главного напряжения. Это обстоятельство выдвигает новые дополнительные требования к геологоразведочным службам. При разведке новых месторождений они должны, наравне с оценкой запасов и других необходимых при проектировании нового горнодобывающего предприятия данных, экспериментально оценивать параметры поля напряжений. Соответственно возникает потребность в разработке дополнительных методов ведения геологоразведочных работ, в разработке новой аппаратуры.

Стала очевидной и необходимость  определенной перестройки в проектных  организациях горного профиля. Необходимы новые подходы к размещению вскрывающих  и капитальных подготовительных выработок, а соответственно уточнения  существующих методик и руководств по проектированию и разработке новых  нормативно-проектных материалов. Необходимы уточнения в работе экспертной системы соответствующих министерств и ведомств.

 

 5 Закономерности формирования напряженно–деформированного состояния массива.

Напряженное состояние и геодинамическая  активность верхней части Земной коры, как среды обитания и техногенной деятельности человека, были всегда в центре внимания. Периодически изменяющаяся интенсивность геодинамических явлений в виде землетрясений и горных ударов красноречиво свидетельствует об изменяющемся во времени уровне напряжений в недрах. В таблице 1 и на рисунке 1 представлен перечень крупнейших землетрясений с магнитудой более 7 на фоне 11-ти и 83-95 - летних циклов солнечной активности (СА). Перечень охватывает период с 1707 по 2008 год.

Солнечная активность - это процесс изменения  совокупных структурных образований  в некоторой ограниченной области  солнечной атмосферы, связанная  с усилением в ней магнитного поля от значений 10-20 до нескольких (4-5) тысяч эрстед. В видимом свете  наиболее заметным структурным образованием активной области являются темные, резко очерченные солнечные пятна, часто образующие целые группы. Общее  число пятен и образованных ими  групп медленно меняется в течение  некоторого периода времени (цикла) от 8 до 15 лет (в среднем 10-11 лет). Важно, что наличие пятен на Солнце влияет на магнитное поле Земли, что в  свою очередь изменяет напряженно деформированное  состояние в земной коре.

В годы минимума СА Земля максимально сжата, геодинамические явления имеют  максимальную энергетику. В годы нарастания СА напряженное состояние Земной коры уменьшается и наблюдается  максимальное число геодинамических  явлений, но меньшей энергетики. В  годы максимума СА напряжения минимальны и наблюдается минимум геодинамических  явлений. В годы спада СА напряжения растут, число геодинамических явлений  со средней энергетикой увеличивается. В то же время в мировой практике нет данных об абсолютной величине пульсирующих тектонических напряжений , в земной коре в течение цикла СА. С учетом вышесказанного закономерности формирования природных напряжений в земной коре можно представить зависимостями:

 

 

 

 

 

где - природное вертикальное напряжение, МПа; g - удельный вес налегающих пород, МН/м ; H - мощность налегающих пород, м; - вертикальная статическая тектоническая сила, МПа; - изменяющийся во времени и пространстве вектор вертикальной тектонической силы, МПа; и - горизонтальные составляющие главных напряжений, МПа; и - главные статические составляющие тектонических сил, МПа; и - изменяющиеся во времени и пространстве вектора тектонических сил (пульсирующие напряжения) МПа.