ЛЕКЦИЯ 5. Напряженность массивов

Значения коэффициента структурного ослабления

Значения коэффициентов ослабления

Месторождения ^{!--------------------------------------------------------------------------------} i ~

внутри блоков в краевых частях блоков

Грачеве кое ~ 0,150-0,320 ~~ ОЛ 00-0,120

Косачиное 0,144-0,338 0,090-0,165

Маныбайское 0,230-0,430 0,111 -0,235

Заозерное ______ | 0,340-0,463____ j 0,100-0,240

- 14-

Напряжения в массиве формируются естественным полем на­пряжений и напряжениями, возникающими в связи с горными работами.

Естественное поле напряжений массива формируется гравитационными, тектоническими, гидродинамическими геотермическими силами. Определяющая роль принадлежит гравитационному и тектоническому силовым полям, действующим в массиве. Силовые поля, связанные с действием напорных вод и неравномерностью тепловых потоков, являются локальными и развиваются в особых геологических условиях, в областях развития артезианских бассейнов и современного вулканизма.

В нетронутом массиве действуют природные силы; связанные по Л. Гейму - А. Диннику зависимостями:

δ₃ = γ×Н,

где у - средний объемный вес толщи вышележащих пород; Н — глубина рассматриваемой точки массива; γ- коэффициент попереч­ных деформаций; - коэффициент бокового распора; δ₃ - вертикальная активная составляющая гравитационного силово­го поля: δ_1,2- горизонтальные реактивные главные нормальные напряжения.

В массиве выделяют зоны, каждая из которых охватывает верхнюю, нижнюю и расположенную между ними части синклинали. В первой зоне вертикальные составляющие напряжения являются сжимающими, а горизонтальные — растягивающими. Во второй зоне горизонтальные и вертикальные составляющие напряжений являются снижающими. В третьей зоне вертикальные составляющие являются растягивающими, а горизонтальные - снижающими. Вокруг разломов, ориентированных под углом относительно главных нормальных напряжений, формируются зоны разгрузки и концентрации напряжений. Размеры и конфигураций зон зависят от формы разлома и его положения относительно главных напряжений.

Системы разломов придают массивам тектоническую блочность. Тектонические блоки еще более усложняют гравитационное поле. В крыльях крупных и средних размеров вслед за зоной концентрации напряжений образуются зоны разгрузки.

У крутых разломов отмечены концентрации напряжений, в 2-6 раз превышающие мощность зоны разлома. Зона разгрузки напряжений более широкая, но степень разгрузки напряжений меньше, чем в предыдущей зоне. Для наклонных и пологих разломов характерна широкая зона пониженных напряжений с невысокой степенью разгрузки. В висячих крыльях разломов максимальными являются горизонтальные напряжения, перпендикулярные разлому, вертикальные напряжения в 1,5-3,0 раза меньше горизонтальных и больше (γН). В лежачих крыльях максимальными являются вертикальные напряжения,

В краевых частях тектонических блоков формируются зоны повышенной напряженности, во внутренних частях, захватывающих большую часть, области пониженных напряжений.

На формирование зон напряжений в массиве с ралломной структурой оказывают влияние:

- масштаб и ориентировка разломов;

- размеры, конфигурация тектонических блоков и их взаимоположение и положение относительно массива;

- свойства пород, слагающих зоны разломов и тектонические блоки.

В массивах с блочностью структур на однородном участке массива напряженность характеризуется среднеарифметическим значением напряжений по плоскостям структурного блока.

Напряженное состояние массива. В тектонофизике, сейсмоло­гии, инженерной геологии и механике горных пород оценивается методами: реконструкции напряжений по трещиноватости; сейсмологическим; полной разгрузки; оптико-поляризационным; визуально.

Визуальная оценка напряжений по состоянию горных выработок возможна, когда напряжения на контуре обнажений превышают определенный предел. Возникновение трещин и последующие отслоения по ним происходят в местах, где хотя бы одно из главных сжимающих напряжений превышает половину прочности пород на одноосное сжатие. Формы, размеры, ориентировка в пространстве участков разрушения пород на контуре выработок закономерно связаны с ориентировкой наибольших напряжений и проявляются в условиях качественной оценки поля напряжений.

Метод полной разгрузки ВНИМИ - наиболее разработанный и теоретически обоснованный способ измерений в массиве. Он основан на измерении упругих деформаций элемента породного массива при разгрузке этого элемента от действовавших в нем напряжений и упругом восстановлении им первоначальных размеров. По измеренным деформациями, зная упругие свойства пород, вычисляют действую­щие напряжения.

Измерения напряжений в нетронутых массивах показали, что теоретические представления о формировании силовых полей прак­тикой подтверждаются не всегда. Горизонтальные напряжения на­много превышают вертикальные на Кольском полуострове, в Джезказгане, Норильском ГМК, на Урале и других регионах.

Особенности развития и перераспределения напряжений являются индивидуальной характеристикой массивов, определяющих эффективность разработки месторождений.

Измеренные напряжения не соответствуют геостатическому закону распределения. При разнообразии горно-геологических условий установлено:

- вертикальная составляющая гравитационно-силового поля отличается от расчетной до 5,0 раз;

- главные нормальные напряжения, действующие в горизонтальной плоскости, превосходят вертикальную составляющую в несколько раз.

Диапазоны изменений абсолютных величин напряжений в нетронутом массиве месторождений Северного Казахстана на глубинах 100 и 500 м от поверхности составили: вертикальная составляющая 0...31,8 МПа и 4.6...53,7 МПа; горизонтальные составляющие 1,0...19,6 МПа и 0,7...46,0 МПа.

Резкие и незакономерные изменения величины и знака напряжений объясняются тем, что гравитационные и тектонические силы реализуются в условиях структурных неоднородностей, которые, при наличии высоких горизонтальных сжимающих напряжений, служат направляющими плоскостями для восходящих и нисходящих движений земной коры. Невозможность корреляции напряжений делает весьма приближенными расчеты, связанные с глубиной работ.

В результате вмешательства в массиве развивается комплекс явлений, изменяющих его напряженное состояние и деформацию пород вокруг выработок:

- изменение поля напряжений вокруг выработок;

- изменение свойств пород на контуре выработок;

- перемещение, взаимоконтактирование, деформирование и разрушение пород в зависимости от напряжений и свойств пород.

В крепких породах с выраженными упругими свойствами деформации пород вокруг одиночной выработки остаются незамеченными. В слабых или весьма нарушенных породах возникают квазипластические деформации.

Коэффициент ослабления в скальных породах прочностью от 50-100 до 100-150 МПа в зоне нарушенных пород снижается с 0,25-0,35 до 0,15-0,04. Мощность зон вокруг выработок малого сечения составляет 0,5-2,0 м, вокруг крупных 5-10 м. Внутри этих зон выделяется менее мощная приконтурная зона снижения ослабленности 0,5-3,5 м. В пределах зоны прочность уменьшается на величину в 2,5-6,0 раз. На контакте зоны влияния выработок напряжения увеличиваются до первоначального значения.

Наибольшие изменения напряженно-деформированного состояния массива происходят в процессе очистной выемки, когда при подработке массива создается опорное давление. Зона максимального опорного давления, которая следует за зоной пластических деформаций, постепенно снижается до размеров естественной напряженности. Цель управления- обеспечить геомеханичеекую сбалансированность с меньшими затратами при обеспечении показателей качества добываемого сырья.