Главная Карта сайта Обратная связь Закладки

Кто на сайте?

Сейчас на сайте находятся:
 13 гостей 
Главная Статьи Устойчивость массивов горных пород
Заилийский Алатау

Общие положения. Рост природных и техногенных катастроф, вызванных смещениями массивов горных пород при строительстве и эксплуатации гражданских и промышленных объектов, отсутствие надежных методов и средств их прогноза и экстренных способов локализации и предотвращения массовых разрушений предопределяют необходимость решения проблемы оценки состояния и обеспечения устойчивости массивов горных пород в районах интенсивной инженерной деятельности человека.
Успешное решение этой проблемы возможно лишь при объединении усилий ученых и специалистов различных отраслей науки и современных технологий (механики горных пород, динамики подземных вод, непрерывного высокоточного мониторинга, эффективных технических решений).

Массив горных пород - участок земной коры, характеризующийся общими условиями образования и определенными инженерно-геологическими свойствами слагающих его горных пород. В общем виде массивы горных пород можно подразделить на: естественные (ненарушенные), нарушенные (в результате ведения горных работ, строительства поверхностных сооружений), техногенные (отвалы пород, плотины).

В зависимости от свойств пород, состояния массива, характера возводимых поверхностных или подземных сооружений определяются пути и способы решения задач о прогнозе деформаций и смещений массива.

Рассмотрим вкратце некоторые свойства и состояния массивов горных пород. Важнейшими структурно-механическими особенностями массива горных пород являются его сплошность, неоднородность и анизотропность.

Массив горных пород можно считать сплошной средой, если при переходе от точки к точке, бесконечно малому приращению координат соответствуют и бесконечно малые изменения величин, характеризующих свойство или состояние этой среды. При решении задач методами механики сплошных сред необходимо выполнить требования к параметрам элементарного объема. Он должен сохранить все характерные свойства исследуемого тела и быть достаточно малым по сравнению с размерами тела. Результаты многочисленных исследований рекомендуют выдерживать соотношение элементарного объема к объему массива в пределах 1/20 - 1/30 [1-2].

Что касается однородности массива горных пород, то следует отметить, что все массивы горных пород являются практически неоднородными. Особенностью массивов горных пород как среды действия прикладываемых сил, напряжений, развития деформаций, сдвижений и разрушений является его трещиноватость и слоистость.

Наиболее существенным фактором, нарушающим сплошность массива, является трещиноватость, которая подразделяется на два вида: упорядоченная (имеющая определенное направление) и неупорядоченная (хаотически расположенная в массиве). Если трещиноватость приводит к разрушению массива на отдельности небольших размеров, то она приводит к нарушению связности массива, а не его сплошности. Слоистость массива горных пород также определяет его устойчивость. Можно отметить два вида слоистости пород - микрослоистость самой породы в пределах каждого породного слоя и слоистость массива пород в целом. При оценке состояния слоистого массива необходимо учитывать условия на контактах слоев.

При решении задач методами механики сплошных сред необходимо учитывать такой фактор, как анизотропия горных пород. Все осадочные породы практически являются анизотропными, у которых механические свойства различны по различным направлениям.

Виды деформаций и нарушений массива горных пород. В процессе силового воздействия на массив горных пород при сооружении поверхностных или подземных объектов изменяется его первоначальное (естественное) состояние. В общем виде эти изменения выражаются в возникновении зон повышенного напряженного состояния, приводящего к деформациям массива и нарушениям его сплошности.

Следует заметить, что при слабых силовых воздействиях в массиве пород могут происходить пликативные нарушения, которые вызывают незначительные смещения участка массива без нарушения его сплошности. Наиболее опасными нарушениями массива пород являются дизъюнктивные, приводящие к значительным разрывам сплошности и образованию сети трещин в массиве.

Устойчивость массивов горных пород определяется в зависимости от горногеологических условий намечаемого к строительству объекта, характеристики объекта, срока его эксплуатации, допустимых значений деформаций и нарушений.

Наиболее опасными проявлениями деформаций массива пород для поверхностных сооружений являются оползни, которые приводят к катастрофическим последствиям. Предвестниками оползней могут быть значительные нарушения гидрологического режима в массиве пород, когда теряется связь между отдельными слоями пород. Оползневые явления характерны для открытой разработки месторождений полезных ископаемых, где обрушения бортов карьеров достигают несколько тысяч кубических метров [3].

При строительстве поверхностных сооружений на достаточно слабых грунтах (глины, супеси, суглинки) наблюдаются значительные смещения массива пород вследствие отсутствия сцепления между отдельными их разновидностями. Под воздействием грунтовых вод происходит набухание пород, они становятся более пластичными и оползают. Значительные деформации и разрушения массивов горных пород происходят в результате изменения их напряженного состояния. Естественный (даже ненарушенный) массив в силу структурного образования не является идеально однородным. В нем содержится сеть микро- и макротрещин, которые влияют на прочность массива и характер его деформирования и разрушения.

Если говорить об устойчивости массива горных пород, то необходимо придерживаться какой-либо теории прочности (или разрушения). Существует несколько теорий разрушения горных пород, связывающих предельное напряженное состояние породы с её хрупким разрушением. В этих теориях используются критерии максимального напряжения, максимальной деформации, максимального касательного напряжения. Каждая из них основана на экспериментальных данных или гипотезах, где под разрушением подразумевается развитие поверхности разрушения, разделяющей материал на две или более частей, между которыми связи отсутствуют.

Для рассматриваемой проблемы устойчивости массива горных пород целесообразно использовать теории Кулона или Кулона-Навье [4].

По первой из них, разрушение породы произойдет, когда

1/2 (σ1 - σ2) ≥ S (1)

где σ1 и σ2 - главные нормальные напряжения в породе; S - прочность породы при сдвиге.

По второй теории, разрушение породы произойдет, когда

[τ] = S + μσΘ (2)

где μ - коэффициент внутреннего трения; τ - касательное напряжение.

Для полной оценки состояния нарушенного массива пород необходимо рассмотреть такой процесс, как образование и развитие трещин в массиве под воздействием внешних сил (природных, технологических).

Здесь следует опереться на теорию развития трещин Гриффитса [4]. Горные породы как хрупкий материал содержат случайно ориентированные трещины, у кончиков которых создается концентрация напряжений, вызывающая распространение трещин и макроскопические разрушения. Теория Гриффитса базируется на показателях прочности пород при растяжении. В связи с этим критерием разрушения является выражение

1 - σ3)2 / (σ1 + σ3) = 8P (3)

где P - прочность породы при одноосном растяжении.

Наличие системы трещин в породах приводит к дизъюнктивным нарушениям массива с потерей его сплошности. Эти нарушения формируются в результате ведения горных работ при подземной и открытой разработке месторождений полезных ископаемых. Сдвижения поверхности наблюдаются при подземной разработке, ведущейся на глубинах 250-300 м. В районах закрытия угольных шахт (например, в Черемховском бассейне) происходят значительные деформации поверхности в зонах бывшей подработки массива горных пород. Это накладывает определенные ограничения при проектировании и строительстве гражданских и промышленных сооружений в этих регионах. Поэтому, с инженерной точки зрения рассмотрение процесса развития и распространения трещин в массиве горных пород имеет большое значение в проблеме прогноза его устойчивости.

Литература:

  1. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.Б. Основы механики горных пород. Л.: Недра, 1977.
  2. Викторов С.Д., Иофис М.А., Гончаров С. А. Сдвижение и разрушение горных пород.М.: Наука, 2005.
  3. Трубецкой К.Н., Потапов М.Г., Виницкий К.Е. и др. Справочник «Открытые горные работы»М.: Горное бюро, 1994.
  4. Под ред.Г.Либовица Разрушение, т.7М.: Изд. «Мир», 1976

Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2008. № 2. С. 119-121.

Если понравилась статья и вы хотите

 

Добавлена система комментариев. Вы можете оставлять свои комментарии к статьям. Комментирование доступно без регистрации.


Информация

Система Orphus

Почта (e-mail)

Логин:
?
Пароль:



Присоединяйтесь

MarkscheiderGeo.ru в Google+    MarkscheiderGeo.ru на Facebook

Здравая мысль

Хорошая книга - это подарок, завещанный автором человеческому роду.
Джозеф Аддисон