Начальное напряжённое состояние породного массива

Порочный массив имеет существенную механическую особенность. До начала производства горных работ породы находятся в напряженном состоянии, которое называется начальным.

На формирование начального напряженного состояния влияет комп­лекс факторов, которые можно разделить на две группы: 1) факторы, действующие постоянно и повсеместно; 2) факторы, действующие временно и локально. Первая группа включает такие факторы: гравитацион­ное и температурное поля, физико-механические свойства и структурно- механические особенности горных массивов, формы рельефа земной поверхности. Вторая группа факторов учитывает влияние тектонических и горнообразовательных процессов, действие подземных газов, вод и про­изводственную деятельность человека.

Основными силами, формирующими начальное напряженное состояние массивов, являются силы земного притяжения. Составляющую силу этого притяжения можно оценить при помощи методов механики сплошной или дискретной среда, которые рассматриваются в общеинженерных курсах. Дня этого надо принять соответствующую модель массива.

Простейшую модель породного массива можно представить в виде единичного куба, на который действуют вертикальные δ₁, и гори­зонтальные напряжения δ₂ и δ₃   (рис. 2.1, а).

Здесь δ₁=γН и δ₂=δ₁, где γ - средняя объем­ная масса пород, тс/м³; Н - глубина залегания, м.

Поперечному (в горизонтальной плоскости) расширению кубика породы от вертикальной составляющей напряжении δ₁ будет препят­ствовать окружающий его породный массив, и тогда относительная по­перечная деформация равна

ε₂=ε₃=0

Результирующую деформацию по направлению δ₂ или δ₃ можно записать двумя способами

где Е - модуль упругости породы при простом сжатии; µ - коэф­фициент Пуассона.

Откуда при δ₂=δ₃ получим

δ₂=δ₃=µδ₁/(1-µ)

где µ/(1-µ)=λ – коэффициент бокового распора.

Поле начальных напряжений, в котором λ=1 (при µ= 0,5)

называется гидростатическим, а поле, в котором λ≠1 - негидроста­тическим.

Начальное напряженное состояние породного массива в значительной степени зависит от глубины залегания и механических свойств по­род. В слоистом анизотропном массиве это состояние может меняться по площади и связано с непостоянством механических и дефор­мационных характеристик. При наличии участков с менее прочными углями (породами) рис. 2.1 (б, в, участки 1 и 2) на их границах воз­можны аномалии распределения нормальных к, напластованию напряжений δ_н с образованием зон, в которых эти напряжения превышают напря­жения, вызванные собственной массой пород (рис. 2.1, б, в). На крутых пластах (рис. 2.1, в) аномалии имеют место тогда, когда горизонтальная компонента превышает силы гравитации.

Значительные изменения в начальное напряженное состояние вносят тектонические нарушения. Вблизи нарушений (рис. 2.1, участок 2) моральные напряжения δ_н превышают напряжения от сил тяжести в несколько раз. Это объясняется тем, что непосредственно у плоско­сти смещения уголь перемят, имеет малую крепость и воспринимает сравнительно небольшие нагрузки. Возникает аномалия напряжений δ_н, сопровождающаяся повышением их на некотором удалении от плоскости смещения пород. При этом повышенные нормальные напряжения возника­ют с внешней стороны острого угла АОВ (рис. 2.1, г), определяю­щего плоскость смещения пород.

Тектонические нарушения оказывают существенное влияние и на коэффициент бокового распора.

Наиболее заметное влияние на начальное напряженное состояние оказывает проведение горных выработок и особенно производство очист­ных работ. В этом случае вокруг выработок возникают зоны аномалий, и пределах которых нормальные к напластованию напряжения в несколько раз превышают напряжения в нетронутом массиве.