Monthly Archives Июль 2012

Теории давления горных пород на крепь

Использование этого метода для прогнозирования горного давления и устойчивости подземного сооружения во времени крайне ограничено. Более эффективно применение метода для описания накопленных экспериментальных данных наблюдений за реальными объектами .

Таким образом, теории давления горных пород на крепь, основанные на учете только упругих деформаций горного массива, не нашли практического применения по следующим причинам:

они неприменимы ко всем породам, для которых характерно наличие неупругих деформаций, т. е. ко всем малопрочным породам;

учет только линейной деформируемости горных пород неизбежно приводит к тому, что все получающиеся зависимости являются линейными функциями глубины, что не подтверждается практикой;

при прочих равных условиях давление на крепь в песчаниках и глинистых сланцах получается резко завышенным по абсолютной величине.

Однако разработанные методы, основанные на теории упругости, позволили установить факт существования зависимости между давлением на крепь и ее податливостью, выявлена необходимость учета технологии возведения крепи и условий взаимодействия крепи с горным массивом.

В настоящее время решения упруго-пластических задач также не могут быть применены

Подробнее

Ядро наследственности

Широкие перспективы для научных исследований и практических целей в области устойчивости подземных сооружений открывает реология. В отличие от методов для упругих, пластических, упруго-пластических и сыпучих сред учет реологических свойств породы позволяет рассматривать изменения напряженного состояния во времени.

Характер протекания деформаций во времени описывается известным уравнением наследственной теории Больцмана — Вольтерры.

Работновым Ю. Н. показано, что если известно упруго-мгновенное решение какой-либо задачи, то для получения решения с учетом ползучести и релаксации материала достаточно соответствующие упругие постоянные заменить временными операторами, так как для тел, подчиняющихся зависимостям типа Больцмана — Вольтерры все результаты, не зависящие от упругих постоянных, остаются неизменными во времени. Основная трудность решения подобных задач состоит в математической расшифровке различных комбинаций временных операторов, ибо общих правил такой расшифровки не существует.

Ядро наследственности обычно представляет экспоненциальную функцию. Известно, что интегральное уравнение с экспоненциальным ядром сводится к линейному уравнению с постоянными коэффициентами и теория наследственности в этом случае интерпретируется как теория упруго-вязкого или упруго-релаксирующего тела.

Задача сводится в конечном итоге к расшифровке временных операторов, результат которой должен содержать л...

Подробнее

Метод предельного равновесия

С другой стороны, если крепь не будет оказывать сопротивления деформированию породы, приборы отметят отсутствие давления. Таким образом, в одной и той же выработке можно получить давление в пределах от нуля до величины, существующей в породе до устройства выработки.

В практике зарубежных исследователей теория сводообразования находит свое подтверждение, а рассмотрение возникающих напряжений и разрушений над выработкой, как в балке, считается более рациональным, приближающимся к действительности. На основе исследований Феннера установлена благоприятная форма разгружающего свода в виде эллипса с вертикальной большей осью, размеры которого определяются прочностью породы на растяжение.

Для решения задачи по определению горного давления используется также метод предельного равновесия. В основных направлениях теории Сюкэ является условным рассмотрение всей толщи породы в виде одного грунтового свода. Если при небольшом размере грунтовой толщи это предположение может быть сделано, то при значительном заглублении сооружения весь массив породы не может придти в движение и участвовать в образовании горного давления. При проведении подземной выработки в однородной породе влияние образующегося свода нагрузки распространяется до дневной поверхности.

Анализируя распространенные гипотезы определения горного давления, основанные на теории

Подробнее

Классификация глубин заложения туннеля

Существование третьей (самой нижней) зоны весьма сомнительно, но если она и существует, то характеризуется тем, что горное давление в ней равно весу вышерасположенной породы. Здесь также необходим учет влияния на величину горного давления сил, возникающих по линиям скольжения, если такие образуются. Для решения вопроса о существовании третьей зоны необходима постановка серии экспериментов.

Классификацию глубин заложения туннеля в зависимости от применяемой теории по расчету горного давления значительно легче было бы осуществить для однородных пород, однако в действительности приходится иметь дело с неоднородными породами (анизотропной средой).

Во второй зоне, где над выработкой образуется разгружающий свод, горное давление равно весу породы, находящейся внутри свода, поэтому здесь вызывает затруднение определение очертания свода и условий его существования.

Величина горного давления по методу Коммереля зависит от прогиба кровли, величины коэффициента разрыхления породы и вычисленной величины высоты эллиптического свода. Для определения давления необходимо наличие пройденной выработки, и лишь после того как будет установлен прогиб кровли, можно производить расчеты.

Метод Коммереля не позволяет прогнозировать величину горного давления и рассчитывать конструктивные элементы туннеля до устройства выработки в породе, хотя осуществлена попытка связать зависимостью горное давление

Подробнее

Разрушение горной породы над выработкой

Горное давление представлено в этом случае активной нагрузкой от масс грунта внутри свода, потерявших свою прочность. Имеющие место в горной породе процессы временного характера не рассматриваются.

Так как горное давление является величиной постоянной до определенной глубины заложения, то при значительной глубине возникает опасность разрушения горной породы над выработкой. В этом случае горное давление приобретает прямую зависимость от глубины заложения и на обделку туннеля действует полный вес разрушенной породы, которая приобретает свойство подвижности.

Если рассматривать выработку на небольшой глубине, исчисляемой десятками метров, где давление вышерасположенных пород еще не разрушает частиц скелета, то горное давление в выработке не будет зависеть от глубины расположения . Если же выработку проводить на большой глубине, исчисляемой сотнями метров, то в этом случае порода находится в особом пластическом состоянии и горное давление на обделку зависит от глубины расположения сооружения. Строительство транспортных и гидротехнических туннелей осуществляется, как правило, на такой глубине, на которой структура грунта не нарушена и горное давление в прямом смысле не зависит от глубины заложения подземной выработки.

Таким образом, до какой-то глубины расположения выработки (незначительной, однако неизвестной, если только не принимать во внимание приближенную

Подробнее

Определение горного давления

Экспериментальные замеры давления на перегонные туннели, проведенные Б. Н. Виноградовым, показали, что давление на глубине 50 м равно в среднем. На основе сопоставления экспериментальных данных с расчетными можно сделать вывод, что расхождение весьма существенное и что пластическая зона по величине незначительна и возникает в основном по бокам выработки. Последним подтверждается правомерность применения для расчетов горного давления методов теории упругости.

Если рассматривать весь период между моментом устройства выработки и установлением предельного равновесия как целостный период деформативных проявлений, можно предположить, что гипотезы X. Лабасса отражают приближенно две стадии процесса — начальный момент и промежуточный при развитии пластических зон. В расчет вводится весомый массив, т. е. при интегрировании дифференциальных уравнений равновесия за которыми последует обвал. Выполнение этого требования должно обеспечиваться расчетом длительных процессов, а также выбором соответствующей технологии производства работ.

При определении горного давления часто пользуются методами, основанными на теории сводообразования, предложенной В. Риттером.

Возможность сводообразования определяется особенностями технологического процесса устройства выработок, когда обделка возводится на некотором удалении от окружающей породы, т. е. породе предоставляется свобо...

Подробнее

Применимость существующих теории расчета горного давления к глинистым породам

Возник вопрос об их замене мощным железобетонным креплением. Проведенные обследования и последующий анализ причин деформаций позволили установить, что деформации обделки были вызваны не развитием горного давления, а упруго-пластическими деформациями окружающей туннель породы, направленными к центру выработки и развивающимися после проходки туннеля под влиянием общего напряженного состояния массива. Если бы обделка не была возведена непосредственно вслед за выработкой или если бы между нею и породой был оставлен соответствующий зазор, деформации породы протекали бы свободно и давление на обделку не было бы столь значительным. Принятое решение заключалось в последовательной разборке тюбингов деформированных колец, удалении выдавившейся породы и повторной сборке колец с последующей инъекцией за обделку тампонажного раствора после проявления в полной мере упругого последействия.

Методы расчета горного давления, основанные на законах механики сплошной среды, должны быть обусловлены границами применимости, особенно при сооружении туннелей в глинистых средах. Такие пределы можно установить только в том случае, если известно разделение между упругой и пластической зоной, т. е. тем самым можно установить величину напряжений, при которых возникает пластическая зона.

Пластическая зона возникает по бокам выработки. В связи с тем,

Подробнее

Пластичные и жесткие породы

Если горный массив представлен породами, характеризующимися пониженными упругими свойствами, давление на обделку с течением времени будет постепенно снижаться в результате релаксации с одновременным ослаблением напряженного состояния массива. В дальнейшем над горной выработкой может образоваться свод обрушения. Давление на обделку и в этом случае не остается постоянным во времени и при определенных условиях может прогрессировать за счет снижения прочности глинистой породы (ползучесть, длительная прочность). Учет этих особых свойств горной породы в расчетах горного давления имеет большое значение.

Наиболее часто туннели приходится проектировать в глинистых породах второй группы, которые занимают промежуточное положение между пластичными и жесткими породами. Такие глинистые породы характеризуются некоторым порогом ползучести, который зависит от величины приложенного к породе нормального напряжения , угла внутреннего трения и влажности .

Таким образом, горное давление может развиваться во времени как за счет проявления упругих сил, так и за счет снижения прочности глинистой породы. Оптимальные условия, очевидно, создадутся в том случае, когда период времени после проходки выработки до полного замыкания обделки и нагнетания окажется достаточно большим для ослабления упругого давления и достаточно малым для снижения прочности породы. Примером

Подробнее

Глубокий анализ явлений

Аналогичное решение получено для незакрепленных выработок не круговой формы.

Теория сводообразовання, или, как было показано, теория, освещающая частный случай определения давления, разработана М. М. Протодьяконовым и в основном применялась для трапециевидного поперечного сечения при глубине разработки угольных шахт в пределах 200 м. Для металлических и бетонных крепей расчетные давления для них, определенные с применением теории М. М. Протодьяконова, были значительно занижены. Дальнейшие разработки позволили увеличить абсолютные значения, хотя метод остался по-прежнему на тех же физических основах. В расчетах не учитывается глубина заложения горной выработки и деформируемость пород.

К. В. Руппенейтом предложен также метод, основанный на гипотезе сводообразовання. Однако очертание (высоту) свода обрушения предлагается определять на основе развития областей неупругих деформаций.

Как видно из приведенных формул, в расчетах прочность горной породы характеризуется не коэффициентом крепости, а показателями физико-механических характеристик. Хотя идея сводообразовання сама по себе является правильной, не установлены условия возникновения свода и участие его в создании давления.

Глубокий анализ явлений, происходящих в горном массиве при устройстве туннеля, проведен

Подробнее

Упругая анизотропия

Упругая анизотропия, как показывают расчеты по приведенной методике, не оказывает большого влияния на величину смещений. Другими исследователями была рассмотрена также реологическая анизотропия. Практические расчеты показали, что учет изменяемости модуля упругости в результате разрушений не приводит к существенному увеличению значений смещения на контуре.

Методы определения давления на крепь горных выработок, основанные на использовании законов теории упругости, с учетом реологических свойств раскрывают природу явлений. Однако справедливость их соблюдается до тех пор, пока не нарушена сплошность массива, т. е. когда на контуре выработки не образуется вывалов.

Деформации горных пород в виде вывалов могут возникать в случае наличия между крепью и поверхностью обнажения зазора, превышающего перемещения на контуре выработки. Большей частью к образованию вывалов приводит наличие трещиноватости или появление местных разрушений в породе в результате перераспределения и концентрации напряжений вокруг выработки. Если имеют место вывалы породы в выработку, давление на крепь определяется только весом потерявших устойчивость горных пород, а крепь будет работать в режиме заданной нагрузки. Таким образом, если и будет возникать над выработкой

Подробнее

Прочность на растяжение

В развитие предложенного метода изучались также механические показатели свойств горных пород . Принимая, что в окрестности горной выработки порода со временем теряет полностью способность сопротивляться растягивающим напряжениям, условие прочности устанавливается в форме гиперболической огибающей кругов и порода может сопротивляться только сжимающим напряжениям.

Если в первый период времени порода теряет прочность на растяжение, огибающая перемещается в начало координат, в то время как наклон ее во всех точках не изменяется. Отсюда вытекает, что предел прочности на сжатие разрушенного материала равен пределу прочности на растяжение неразрушенного материала. Это подтверждается также нашими исследованиями по установлению распределения напряжений поп прямоугольной выработкой.

Проведенные многими исследователями сопоставительные расчеты показали существенное отличие их результатов от замеренных в натуре величин. Это расхождение может быть объяснено в первую очередь не учетом реологических свойств пород.

С учетом ползучести величина смещений увеличивается, хотя все же значительно отличается от наблюдаемых. Исследователи объясняют это расхождение усадкой забутовки и пустотами за крепного пространства, что, однако, не влияет на работу сооружения в целом.

Из приведенных расчетов видно, что если бы тампонажный раствор за обделкой отсутствовал,

Подробнее

Изменяемость нагрузок во времени

Вокруг горной выработки возможно образование трех зон: неупругих деформаций, повышенных напряжений и зоны с напряжениями, которые уменьшаются к ее границам до напряжений в нетронутом массиве. Зона неупругих деформаций имеет овальную форму — вверху выработки вследствие действия веса разрушенной зоны она больше, чем внизу.

Предложенные исследователями (Л. В. Ершов, Л. Н. Насонов и др.) расчетные формулы в упруго-пластических аналитических и гипотезах позволяют определять величину и характер проявления горного давления только через достаточно большой промежуток времени с начала проведения выработок, т. е. определять конечные значения нагрузок на крепь. Однако рациональный (оптимальный) режим работы крепи может быть обеспечен при достаточно хорошо изученном поведении системы нагрузка — крепь в различных интервалах времени. Хотя такая изменяемость нагрузок во времени и учитывается при условии, что горный массив рассматривают как упруго-наследственную модель, эти исследования носят в основном теоретический характер.

Как уже отмечалось, расчетная формула предложена К. В. Руппенейтом для весомой полуплоскости, в которой сделан вырез по форме поперечного сечения выработки. Вокруг выработки, подкрепленной крепью, возникает разрушение с одновременным изменением механических свойств. В связи с разделением области разрушения на две зоны — зону неупругих (пластических) деформаций и зону упругих деформаций — на контакте перехода из одной зоны ...

Подробнее