Краткий анализ существующих методов расчёта напряжённо-деформированного состояния пород при ведении горных работ

Значительное количество работ, связанных с расчетом напряженно- деформированного состояния горных пород можно разделить на пять групп:

1 группа - рассматривается массив в целом от разрабатываемого пласта до поверхности;

2 группа - исследуются деформации горных пород, где методы рас­чета базируются на статистических данных или гипотезах;

3 группа - предлагаются методы расчета параметров опорного дав­ления над очистной выработкой;

4 группа - изучается сдвижение пород только вблизи очистной выработки, при этом толща рассматривается как слоистая среда, представленная консольными балками;

5 группа - рассчитываются напряженно-деформированные состояния пород почвы при над работке.

В I группе работ используются теории упругости, пластичности или предельного равновесия, горный массив представляется салопным, дефор­мации в нем происходят без нарушений сплошности. Очистная выработка рассматривается в виде смыкающейся или не смыкающейся щели. Массив на­делен упругими, упруго-наследственными или пластическими свойствами. В отдельных случаях в качестве граничных условий используются резуль­таты натурных измерений опусканий пород кровли или дневной поверхно­сти, а также граничных углов сдвижения.

Использование сложного аппарата теории упругости и пластичности в силу неоднородности осадочных пород дает весьма приближенное каче­ственное описание геомеханических процессов. Представление массива горных пород в виде сплошной среды исключает возможность описания влияния горногеологическис факторов, например, мощных слоев крепких пород, их расположение по высоте, расслоение и т.п. В связи о этим применение сложного аппарата теории упругости для решения задач, связанных с процессами сдвижения осадочных пород вокруг выработок, не дает положительных результатов.

В последнее время для расчета напряженно-деформированного состоя­ния пород вокруг выработок применяют метод конечных элементов, который основан на аппроксимации сплошной среды при помощи дискретных элемен­тов произвольной формы, взаимодействующих друг с другом через узлы связи. Метод обеспечивает наглядность, свободу в задании конфигурации областей и граничных условий, возможность достижения необходимой точ­ности путем сгущения сети элементов и простоту задания неоднородности среды. Задача решается в три фазы: идеализация изучаемого сооружения разделением на элементы, взаимодействующие друг с другом, и замена внешних нагрузок силами, сконцентрированными в узлах сетки; оценка взаимозависимостей сил деформации в элементах, выражаемых матрицами изгиба и жесткости; расчет напряжений и смещений с использованием ме­тодов, применяемых в строительной механике.

Для расчета напряженно-деформированного состояния пород вокруг выработок в зависимости от среды используются различные модели. При этом во всех случаях должны быть соблюдены условия сплошности как внутри элементов, так и на границе последних, т.е. среда принимается сплошной. Деформация же слоистых пород характеризуется расслоением толщи подвижками слоев относительно друг друга и образованием поло­стей на границах пород с различной жесткостью. Наличие полостей оказывает значительную неравномерность распределения нормальных нагрузок от массы зависающих пород. Поэтому для расчета напряжений методом ко­нечных элементов вблизи выработок необходимо знать размеры полостей расслоения и располагать законом распределения нормальных нагрузок , по ширине выработки, который в свою очередь зависит от геологических, горнотехнических и временных факторов. Установить же закон распреде­ления нормальные нагрузок вблизи контура выработки методом конечных элементов не представляется возможным.

Во 2 группе работ для расчета напряженно-деформированного состоя­ния используются различные гипотезы, увязывающие опускания дневной по­верхности с границами очистных работ через углы сдвижения. Опускание дневной поверхности и углы сдвижения определяются по результатам натур­ных измерений. При этом, как правило, особенности протекания геомеха­нических процессов внутри массива горных пород не рассматриваются, а основное внимание уделено расчетам опусканий и деформаций дневной по­верхности.

Работы 3 группы связаны с изучением закономерностей распределения напряжений и деформаций в опорной зоне, без учета массива подработанных выработкой пород. В большинстве случаев расчеты сводятся к опре­делению ширины опорной зоны и напряжений в ней на уровне разрабатывае­мого пласта. Они базируются на положениях теории упругости в предпо­ложении, что массив является сплошные, воспринимающим дополнительную пригрузку от массы подработанных пород, объем которых связывается с углами полных сдвижений. Для установления зоны предельного состояния пласта, обусловливающей расположения максимума напряжения, требуется проведение трудоемких натурных измерений в угольном пласте.

Чтобы определить параметры опорной зоны на уровне разрабатывае­мого пласта, необходимо располагать шириной зоны, углом полных сдви­жений, модулем упругости пород и прочностью пласта. Требуется также проведение специальных натурных измерений, которые, в свою очередь, зависят от целого ряда природных и технологических факторов.

В 4 группе работ в основу расчета положена гипотеза тонких плит или балок, в которой предполагается, что процесс сдвижения горных по­род протекает в виде последовательного изгиба слоев с проскальзыва­нием по контактам напластования. Однако при этом рассматривается мас­сив над выработкой в пределах свободного пролета ее без учета зоны опорного давления. Расчеты сводятся к решению частных задач, связан­ных с определением шага посадки основной кровли, вероятности наруше­ния сплошности на контуре выработки, требуемой несущей способности крепи. В них не учитывается влияние мощности пласта, способа управления кровлей, особенностей распределения нормальных нагрузок на слои пород в зависимости от строения надугольной толщи, наличие под­вижек слоев относительно друг друга, скорости подвигания забоя и т.п.

5 группа работ посвящена установлению напряженно-деформированно­го состояния пород при надработке, которая основывается на теории упругости в предположении, что массив является сплошным.

Краткий анализ существующих методов расчетов показал, что они не учитывают многие особенности сдвижения осадочных пород при ведении подземных горных работ. К наиболее важным особенностям относятся расслоение пород по контактам напластования и образование полостей рас­слоения, неравномерность распределения нормальных нагрузок на слои пород при подработке и надработке, изменение во времени не только де­формаций пород и их распространения в массиве, но и нагрузок от массы зависающих пород, наличие подвижек слоев относительно друг друга, до­стигающих 20-30% вертикальных оседаний. Кроме того, все методы пред­усматривают применение сложного математического аппарата, а для вы­полнения граничных условий требуют проведения трудоемких натурных измерений. Это обусловливает приемлемость результатов расчета примени­тельно только к тем условиям, где проводились измерения. Во многих случаях методы ориентируют на решение частных задач, не охватывают всю область сдвижения горных пород и не увязывают ее ни с технологически­ми параметрами (длина лавы, скорость подвигания забоя, скорость выемки угля комбайном, способ управления кровлей и т.п.), ни с особенностями строения толщи пород. Поэтому ни один из существующих методов расчета напряженно-деформированного состояния горных пород горным инженером в своей практической деятельности не используется.