Взаимного влияния выработок

На современных горных предприятиях лишь сравнительно небольшая часть выработок — одиночные — не испытывает влияния соседних выработок. Это обычно капитальные выработки — вскрывающие (стволы, штольни) и подходные (квершлаги, уклоны и др.) и в меньшей степени подготовительные. Большую же часть выработок проводят на небольших расстояниях друг от друга, определяемых параметрами применяемой системы разработки. В результате взаимного влияния напряженное состояние пород вокруг таких выработок существенно изменяется.

Теоретическое определение напряжений вокруг системы сближенных выработок является более сложной задачей, чем для одиночной выработки, но и в этом случае могут быть применены методы решения плоской задачи теории упругости, основанные на конформном преобразовании и использовании теории функций комплексного переменного. Разработаны также и приближенные методы решения подобных задач.

Результаты теоретического изучения, а также практический опыт проведения и эксплуатации горных выработок позволяют заключить, что напряжения вокруг взаимовлияющих выработок зависят от их размеров, конфигурации, размеров целиков между ними, пространственного расположения по отношению друг к другу, от числа сближенных выработок, а также от параметров начального поля напряжений в нетронутом массиве.

Прежде всего рассмотрим достаточно простой случай, когда на близком расстоянии друг от друга в массиве пройдены две одинаковые параллельные выработки с поперечными сечениями круговой формы (рис.12.13, 12.14).

Ранее было показано, что область влияния одиночной выработки круговой формы сечения в условиях гидростатического поля напряжений простирается в массив на расстояние около 1,5 диаметра. Поэтому очевидно, что взаимное влияние выработок теоретически начнет сказываться, когда расстояния между их контурами будет меньше трех диаметров.

Рис. 12.13 Тангенциальные напряжения s_q (в долях s₃) в стенках (т. Б) сближенных выработок на одном горизонте в зависимости от ширины целика между ними при различном напряженном состоянии нетронутого массива.

Рис. 12.14 Тангенциальные напряжения s_q (в долях s₃) в кровле и почве (т. Б) сближенных выработок на разных горизонтах в зависимости от расстояния между их центрами при различном напряженном состоянии нетронутого массива.

Из рис. 12.13 и 12.14 видно, что при сближенных выработках тангенциальные напряжения s_q на их контуре могут увеличиваться в 2 раза и более, при этом напряжение s_q в точке Брастет особенно быстро, когда ширина целика становится меньше радиуса выработок. Исключение представляет случай, когда действуют высокие горизонтальные напряжения тектонического происхождения. Тогда напряжения в целике и на контуре выработок уменьшаются или даже могут измениться по знаку.

Существенную роль играет ориентация максимального главного сжимающего напряжения нетронутого массива по отношению к системе выработок. Если оно действует вдоль линии центров сечений выработок, то при сближении выработок концентрация напряжений в целике убывает (при s₁ = 10s₃ на рис. 12.13). Если же оно направлено перпендикулярно к линии центров, то концентрация напряжений в целике возрастает (при s₁ = 0.25s₃ на рис. 12.13 и s₁ = 10s₃ на рис. 12.14).

Отсюда следует, что на практике в массивах с негидростатическим распределением напряжений или при ярко выраженной анизотропии упругих свойств пород парные сближенные выработки целесообразно располагать таким образом, чтобы линия их центров совпадала с направлением наибольшего главного напряжения или с направлением в массиве, по которому модуль упругости имеет максимальное значение (например, для слоистого массива - перпендикулярно к слоистости).

При увеличении числа сближенных выработок отмеченные закономерности сохраняются, изменяются лишь фактические значения действующих напряжений. В частности, в наиболее неблагоприятном случае при условиях, приближающихся к одноосному сжатию поперек линии центров системы из достаточно большого числа выработок, напряжение s_q на контуре каждой из них может достигать пятикратного значения по отношению к одиночной выработке (при ширине целика l=0,2r).

Особое значение для практики имеет случай, когда поперечные сечения взаимовлияющих выработок существенно различны.

Поскольку область влияния одиночной выработки прямо пропорциональна радиусу сечения выработки, то очевидно, что наиболее ощутимо влияние сближенных выработок скажется на распределении напряжений вокруг выработки меньшего сечения. На рис. 12.15 приведены зависимости напряжения s_q на контуре выработки меньшего сечения в точках А и Б от размера целика между сближенными выработками при фиксированном отношении радиусов их сечений (R/r = 20), а также от отношения радиусов R/r при постоянной ширине целика (l=5 r) в условиях гидростатического напряженного состояния нетронутого массива.

Из рисунка следует, что в точках контура малой выработки, располагающихся вблизи линии, соединяющей центры обеих выработок, тангенциальные напряжения s_q могут увеличиваться в 2 — 2,5 раза; при этом наиболее интенсивно они растут в диапазоне отношения радиусов выработок до 20. В то же время в точках контура,

Рис. 12.15. Тангенциальные напряжения s_q (в долях s₃) на контуре выработки (точки A и Б) в зависимости от ширины целика (а) и при различных соотношениях радиусов сближенных выработок (б).

расположенных под прямым углом к линии центров, напряжения s_q уменьшаются, вплоть до смены их знака.

Влияние выработки большего сечения начинает существенно сказываться при ширине целика между выработками b³1 - l,5D (где D=2R). Выработка меньшего сечения на напряжения вокруг выработки большего сечения практически не влияет.

В тех случаях, когда подготовительная выработка попадает в область влияния очистной выработки камерного типа, расстояние, на котором начнет сказываться влияние последней, будет меньшим, чем соответствующие расстояния в рассмотренном примере. Это объясняется существенно меньшими (почти в 2 раза) размерами области влияния изометрической выработки по сравнению с цилиндрической.

Рассмотренные закономерности распределения напряжений вокруг сближенных выработок позволяют заключить, что в большинстве случаев взаимное влияние выработок проявляется в увеличении тангенциальных напряжений s_q. Поэтому на практике стремятся по возможности быстрее миновать зону повышенных напряжений, для чего, например, выработки обычно стараются сопрягать под прямым углом. В этом случае область взаимного влияния охватывает меньший объем массива пород.

При проведении сбоек между параллельными выработками или при Т-образном пересечении выработок предварительно делают небольшие засечки в стенках соединяемых выработок и уже затем производят сбойку из этих засечек. В этом случае область взаимного влияния также уменьшается, поскольку, как это было показано выше, напряжения впереди забоя выработок уменьшаются пропорционально кубу расстояния от контура выработки, тогда как со стороны стенок—пропорционально квадрату этого расстояния.