Естественное поле напряжений массива – гравитационное

Вертикальные выработки.

В качестве примера приведём результаты расчётов зон возможных вывалов из стенок вертикального ствола при различных формах поперечных сечений (круговой, эллиптической и прямоугольной) для случая действия в массиве пород только гравитационных напряжений.

Расчёты выполнены для условий одного из медно-никелевых месторождений Кольского полуострова, которые являются типичными для скальных массивов. В данном случае массив сложен весьма прочными и упругими разновидностями ультраосновных пород – пироксенитами и перидотитами с объёмным весом 3.3 т/м³ и пределом прочности на срез 450 кг/см². Вместе с тем на месторождении выделяются четыре системы крупноблоковых трещин, расчленяющие массив на структурные блоки с размером ребра в среднем около 1 м. Сцепление по поверхности крупноблоковых трещин в среднем составляет 10.5 кг/см², значение угла внутреннего трения около 40⁰.

Результаты расчётов показывают, что радиальные протяжённости зон вывалов из стенок ствола при рассмотренных формах сечений меняются незначительно (от 0.2 до 0.6 м). Вместе с тем, если для круговой и эллиптической форм сечений форма зон возможных вывалов повторяет контуры сечения, то в случае прямоугольного сечения ствола вывалы возможны только по малой стороне сечения (рис.3.15).

Рис. 3.15. Схема расположения зон разрушений по крупноблоковым трещинам возле стволов эллиптического (а) и прямоугольного (б) поперечного сечения на глубине Н=600 м при [t_тр] =10.5 кг/см².

1 – зоны скола по трещинам под действием максимального и минимального главных напряжений; 2 - зоны скола по трещинам под действием промежуточного и минимального главных напряжений. Зоны возможных вывалов заштрихованы.

Отсюда следует весьма существенный вывод о возможностях управления состоянием приконтурного массива пород:

· при круговой форме сечения ствола параметры зон вывалов не зависят от ориентации осей сечения в пространстве и с этой точки зрения оптимизация расположения ствола невозможна (рис. 3.16);

Рис. 3.16. Схема расположения зон возможного скола по естественным трещинам вокруг ствола кругового поперечного сечения (глубина Н=600 м, диаметр сечения 6 м, сцепление по поверхности трещин [t_тр] =10 кгс/см²).

1 — зона возможного скола под действием максимального и минимального главных напряжений; 2 — зоны возможного скола под действием промежуточного и минимального главных напряжений; а,б,в,г — соответственно зоны скола по различным системам естественных трещин. Зона возможных вывалов заштрихована.

· при эллиптической и прямоугольной формах сечений оптимизация возможна, при этом в основу может быть положен принцип сосредоточения зон возможных вывалов по системам трещин с наибольшей вероятностью (частотой) на возможно меньших длинах контура (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Оптимальная ориентировка эллиптического (а) и прямоугольного (б) сечений вертикального ствола в рассматриваемом массиве пород.

1,2,3,4 – соответственно зоны возможных вывалов по трещинам различных систем.

Таким образом, весьма существенно, что в массиве пород блочного строения каждой форме поперечного сечения вертикальных выработок (за исключением круговой, т.е. осесимметричной) соответствует своя оптимальная ориентировка осей симметрии относительно систем структурных неоднородностей.

При этом заметим, что, изменяя ориентацию сечения ствола в пространстве по отношению к преобладающим системам структурных неоднородностей, нельзя уменьшить радиальную протяжённость зон возможных вывалов, но можно снизить степень распространённости её по контуру сечения.

Горизонтальные выработки.

С точки зрения эксплуатации для горизонтальных выработок наибольшее применение находят сводчатые формы поперечных сечений. При этом повышение устойчивости, а, следовательно, и управление состоянием приконтурного массива возможно за счёт правильного выбора параметров свода и сечений выработок в соответствии с особенностями напряжённого состояния конкретного массива.

Поскольку основная цель придания сводчатой формы выработкам заключается в исключении зоны растягивающих напряжений в кровле выработок, параметры свода могут быть определены на основании зависимостей, приведенных на рис. 3.11.

Однако, при явно выраженной анизотропии свойств массива окружающих пород, обусловленной структурными неоднородностями, рациональным может быть отказ от сводчатой формы сечений выработок и переход к сечениям, образованным ломаной линией (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Рациональная форма сечений горизонтальных выработок при проявлении анизотропии прочностных свойств массива пород, обусловленной структурными неоднородностями.

В этом случае оптимальная форма и параметры устойчивых сечений выбираются в соответствии с результатами анализа преобладающих систем структурных неоднородностей.

Весьма эффективным средством повышения устойчивости горизонтальных выработок является определение их оптимальной ориентации в плане относительно господствующих систем структурных неоднородностей. С этой целью по неравенствам (3.8) рассчитываются зоны возможных вывалов в кровле и стенках выработок с учётом вероятностей разрушений по конкретным системам неоднородностей (трещин) при различных положениях выработок (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Расчётная схема к определению оптимального направления горизонтальной выработки в массиве пород с известными системами структурных неоднородностей.

Затем, сопоставляя вероятности разрушений при различных положениях выработок, выбирают ориентацию с минимальными разрушениями.

Необходимо при этом отметить, что данный подход в полной мере может быть использован для подземных сооружений различного назначения, где имеется возможность практически неограниченного манёвра направлением выработок в пространстве. Для горных предприятий и гидротехнических сооружений выбор направлений выработок обычно существенно ограничен жёсткой привязкой к параметрам рудного тела или водного объекта.