О напряженном состоянии почвы горных выработок
Аналитически установлено распределение напряжений в почве выемочной выработки в зависимости от расстояния до контура почвы выработки с учетом основных влияющих факторов....
Gespeichert in:
| Datum: | 2001 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2001
|
| Schriftenreihe: | Физико-технические проблемы горного производства |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/189771 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | О напряженном состоянии почвы горных выработок / Г.И. Соловьев, С.Г. Негрей, В.С. Гирин, Е.В. Кублицкий // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2001. — Вип. 4. — С. 133-148. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-189771 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1897712023-04-22T21:47:21Z О напряженном состоянии почвы горных выработок Соловьев, Г.И. Негрей, С.Г. Гирин, В.С. Кублицкий, Е.В. Аналитически установлено распределение напряжений в почве выемочной выработки в зависимости от расстояния до контура почвы выработки с учетом основных влияющих факторов. 2001 Article О напряженном состоянии почвы горных выработок / Г.И. Соловьев, С.Г. Негрей, В.С. Гирин, Е.В. Кублицкий // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2001. — Вип. 4. — С. 133-148. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 2664-17716 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/189771 622.83:622.273:624.131 ru Физико-технические проблемы горного производства Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Аналитически установлено распределение напряжений в почве выемочной выработки в зависимости от расстояния до контура почвы выработки с учетом основных влияющих факторов. |
| format |
Article |
| author |
Соловьев, Г.И. Негрей, С.Г. Гирин, В.С. Кублицкий, Е.В. |
| spellingShingle |
Соловьев, Г.И. Негрей, С.Г. Гирин, В.С. Кублицкий, Е.В. О напряженном состоянии почвы горных выработок Физико-технические проблемы горного производства |
| author_facet |
Соловьев, Г.И. Негрей, С.Г. Гирин, В.С. Кублицкий, Е.В. |
| author_sort |
Соловьев, Г.И. |
| title |
О напряженном состоянии почвы горных выработок |
| title_short |
О напряженном состоянии почвы горных выработок |
| title_full |
О напряженном состоянии почвы горных выработок |
| title_fullStr |
О напряженном состоянии почвы горных выработок |
| title_full_unstemmed |
О напряженном состоянии почвы горных выработок |
| title_sort |
о напряженном состоянии почвы горных выработок |
| publisher |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| publishDate |
2001 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/189771 |
| citation_txt |
О напряженном состоянии почвы горных выработок / Г.И. Соловьев, С.Г. Негрей, В.С. Гирин, Е.В. Кублицкий // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2001. — Вип. 4. — С. 133-148. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| series |
Физико-технические проблемы горного производства |
| work_keys_str_mv |
AT solovʹevgi onaprâžennomsostoâniipočvygornyhvyrabotok AT negrejsg onaprâžennomsostoâniipočvygornyhvyrabotok AT girinvs onaprâžennomsostoâniipočvygornyhvyrabotok AT kublickijev onaprâžennomsostoâniipočvygornyhvyrabotok |
| first_indexed |
2025-07-16T12:20:53Z |
| last_indexed |
2025-07-16T12:20:53Z |
| _version_ |
1837806076369567744 |
| fulltext |
УДК 622.83:622.273:624.131
О НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ ПОЧВЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Соловьев Г.И., Негрен С.Г. (ДонНТУ), Гирин В.С. (КТУ),
Кубднцкнн Е.В. (ДонНТУ)
Аналитически установлено распределение напряжений в
почве выемочной выработки в зависимости от расстояния до
контура почвы выработки с учетом основных влияющих
факторов.'
Устойчивость подготовительных выработок угольных шахт,
разрабатывающих тонкие и средней мощности пласты в условиях
неустойчивых боковых пород, в основном зависит от их физико
механических свойств и глубины залегания. Породы почвы этих
выработок в зависимости от литологического состава можно
рассматривать как сплошные или дискретные среды.
При расположении выработки на небольшой глубине
прочные породы почвы, представляющие собой сплошную среду, в
зоне влияния очистного забоя выдавливаются в полость выработки
с образованием складки, которая, как правило, имеет разлом в
своей верхней части.
Слабые породы почвы выемочных выработок глубоких шахт
в результате интенсивного трещинообразования разрушаются на
отдельности, размер которых не более чем на порядок меньше
поперечных размеров выработки. Здесь, с некоторыми
допущениями, можно говорить о формировании в почве выработки
дискретной распорной среды.
Естественно предположить, что проявление горного давления
на контуре выемочной выработки, величина и характер
деформаций крепи и породного контура в этом случае будут
определяться свойствами дискретной распорной среды и
размерами зоны ее распространения.
Эта зона не только передает усилия на крепь выработки, но и
играет роль своеобразного демпфера между массивом и крепью.
Очевидно, что учет
особенностей свойств этой зоны в части передачи усилий
между' ее отдельностями, может влиять на деформацию контура
выработки. В частности интенсивность смещений пород почвы в
полость выработки можно уменьшить за счет применения средств
механического противодействия процессу выдавливания почвы
4 Исследования проводились под руководством
д.т.н. Бондаренко Ю.В.
133
выработки [1 ].
В общем плане наши представления совпадают с
общепринятыми взглядами на образование вокруг выработки зоны
разрушенных пород. Поэтому для формирования физической
модели поведения почвы выемочной выработки будет
правомерным использовать результаты ряда исследований (2, 3, 4,
5, 6 , 7, 8 и др.], посвященных разработке моделей механических
процессов в распорных и безраспорных средах.
В результате визуальных наблюдений в местах проведения
подрывок почвы выемочных выработок и фотометрических
исследований среза почвы, образованном на фронте подрывки [9],
нами было установлено, что в условиях пласта си шахты
•Южнодонбасская» №3 почва выемочных выработок представлена
дискретной распорной средой.
Анализ стратиграфии почвы позволил установить, что слой
разрушенных пород непосредственной почвы, состоящий из
песчанистого сланца, распространяется до прочного слоя
песчаника (рис. 1 ), который, как показывают наблюдения, не
участвует в процессе дискретизации.
т—2,1м; /=3-4
т—0.2м; /-]
т=0,5м; / -3 -4
т * 1.4м;/=4-6
т=5,4м; /=3-4
т=3.0-6.0м;/=4-6 ^3-2
т=С-2,Ом;/=7-10
т-2,8-5.6м; /‘ 3-4 Б )
т—0-0,Зм; об р. 1м
т - 1.43-1.75м (1,65м);/-1-1,5
т=1,6м; / -3 -4 П ]
т=1,6м; /=4-6
т=0.2м;/=1
т=3.5м; /=4-6
т=1.0м;/=3-4
т=1.0м; /=3-4
т—0,4м; /=1-1.5
Рис. 1. Стратиграфическая колонка по пласту си
134
Выдавливание пород почвы как составная часть пучения
является следствием реализации потенциальной энергии той части
горного массива, которая вовлечена в деформационный процесс
при ведении очистных работ. Выдавливание почвы в полость
выработки в основном обусловлено:
• Упругим восстановлением окружающих выработку пород.
• Деформациями пород, вмещающих выработку.
• Геостатическими напряжениями в подстилающих породах.
• Опорным давлением в боках выработки.
Уточнение представлений о физико-механических
характеристиках среды, в которой расположена выработка,
выявление причин выдавливания почвы и определение
особенностей реализации этого процесса в зоне влияния очистных
работ, позволило нам перейти к формированию физической модели
выдавливания пород почвы в полость выработки для условий
пласта сп.
Для этого условно область пород, участвующих
непосредственно в процессе выдавливания под выработкой была
ограничена следующими границами (рис. 2): АВ- верхняя
поверхность, которая при выдавливании перемещается, изменяя
форму; ОБ- нижняя ограничивающая плоскость на контакте с
породой, условно не участвующей в процессе дискретизации; АС и
ВБ- боковые поверхности, по которым происходит скольжение
выдавливаемой части почвы (зона I) по относительно неподвижной
массе пород (зона II) и которые являясь границами между
перемещающимися и неподвижными отдельностями пород почвы,
могут располагаться как вертикально, так и с наклоном в обе
стороны к вертикальной оси выработки.
При аналитическом решении задачи о выдавливании пород
почвы, было принято условие, что границы АС и ВБ параллельны
оси выработки. Однако, разработанная модель может учитывать и
иное положение границ.
Для установления величины и характера распределения сил
по выделенным границам в общем виде нами было принято, что по
нижней границе силы на область II распределены равномерно и
равны коуН (где ко- некоторый коэффициент, отличающийся от 1).
Силы, действующие на АС и ВБ были приняты равными /ЗкуН (где
Р- коэффициент бокового давления; к- коэффициент концентрации
напряжений в зоне опорного давления по бокам выработки; у-
объемная масса толщи пород и Н- глубина расположения
выработки). Для определения коэффициентов ко, Р и к,
изменяющихся по глубине почвы, необходимо проведение
дополнительных специальных исследований.
135
Рис. 2. Схема к интерпретации процесса выдавливания
пород почвы выработки.
При реализации разработанной модели была принята такая
система допущений, при которой численные значения /?
распределялись равномерно по глубине зоны и принимались для
малых и средних глубин равными от 0,17 до 0,33 [10, 11].
Коэффициент концентрации напряжений к имеет свое
максимальное значение в непосредственной почве вблизи боков
выработки [12, 13] и убывает с глубиной от кн - начального в
точках А и В до к* -конечного в точках С и О (рис. 2). Для
установления количественной определенности изменения к в
пределах операционного пространства модели нами были
использованы некоторые положения теории грунтов [6 ].
Размеры зоны разрушенных пород, в зависимости от горно
геологических и горнотехнических факторов, колеблются в
136
пределах от 0,8 до 9,5 м (12, 14, 15, 16, 17, 18 и др.], а радиус зоны
влияния выработки составляет 2,5н-3,0 ширины выработки (12, 18].
В качестве допущения размер зоны разрушенных пород в кровле,
боках и почве выработки был принят одинаковым.
Общая картина распределения напряжений в окрестности
выработки представлена на рис. 3.
В пределах зоны разрушенных пород в боках выработки на
горизонтальную плоскость действует неравномерная нагрузка. Для
простоты расчетов принято треугольное ее распределение по длине
зоны разрушенных пород. Максимальный коэффициент
концентрации напряжений ктах в боках выработки наблюдается на
границе зоны разрушенных пород и зоны, в которой породы не
участвуют в процессе разрушения [12, 16, 19].
При реализации аналитической модели (с использованием
решения Н.А. Цытовича [6 ] для условий плоской задачи и
неравномерной боковой нагрузке, интенсивность которой
изменяется по закону треугольника) было получено выражение для
определения величины вертикальных напряжений ог/,
Рис. 3. Схема формирования напряженного состояния в окрестности
выработки.
напластования:
137
действующих на горизонтальные площадки, параллельные
плоскости напластования:
1 л
ага^- ~агс!%- ' - М ' -И *, л )
Ч К Я--Ло | .
(1)
где Р -величина треугольной нагрузки, Н; у,г-координаты
рассматриваемой точки, м (рис. 4); (К-Ко)- длина треугольной
эпюры нагрузки, м [Кб- размер зоны разрушенных пород в боках
выработки, м; Ко- радиус выработки, м).
Так как:
Р = к уН ,
у = х с (^ е ,
к
г = х + ~ ,
(2)
(3)
(4)
к =
&
(5)
где у- объемная масса толщи пород, м3/т; Н - глубина
расположения выработки, м; х - вертикальное расстояние от почвы
выработки до рассматриваемой точки, м; #-угол наклона линии
скольжения к горизонтали, град.; к/2- половина ширины
выработки, м; ах=уН- гидростатическая сила.
Из выражений (1)-(5) следует:
А=-
х с г ф _ [ х -с Щ 9 [ х + У ^ Ы р в А к . - К , ) )
(6)
В случае, когда АС и ВО будут параллельны оси выработки
выражение (6 ) примет вид:
138
разрушенных пород при действии в боках выработки треугольной нагрузки в
условиях плоской задачи.
Графически зависимость коэффициента концентрации
напряжений от расстояния от почвы выработки при вертикальном
расположении поверхностей АС и ЕЮ и различных размерах зоны
разрушенных пород в боках выработки представлена на рис. 5.
Для определения напряжений в породах почвы горных
выработок нами было составлено и решено дифференциальное
уравнение предельного равновесия элементарного объема с1У,
139
к, х к ^ ед.
Рис. 5. Зависимость коэффициента концентрации
напряжений к от расстояния до контура почвы выработки х при
размерах зоны разрушенных пород в боках выработки Кб 1 , 2 , 3 ,
4, 5- соответственно 3, 5, б, 8 и 10 метров.
ограниченного контуром аЬсбейк. Этот объем расположен на
расстоянии х от поверхности почвы выработки (рис. 6 ) и находится
под действием сил, участвующих в процессе его выдавливания.
На элементарный объем действует выталкивающая сила:
2Коко (ох+(сЬх/дх) с!х), обуславливающая перемещение разрушенной
породы в выработку (где Ко- половина ширины выработки, м; ко -
коэффициент концентрации напряжений, на нижней поверхности
объема аЬсбейк), Препятствуют этому перемещению: сила трения
2аы[йх (где аг боковое давление, МПа), реакция породы 2Кокоах и
вес элементарного объема 2Коу йх.
Дифференциальное уравнение проекций на вертикальную
ось сил, действующих на элементарный объем при условии
предельного равновесия будет иметь вид:
2*Д (<т + Л ) - 2ау/ск - 2*Д<т - 7К^х = 0 (8 )
* дх
Так как:
140
Рис. 6 . Схема физической модели для составления уравнения
предельного равновесия элементарного объема в почве выработки.
а = ркуН = рко, (9)
где Д- коэффициент бокового давления; к- коэффициент
концентрации напряжений.
После преобразований из выражений {7)-(9) получим
линейное неоднородное дифференциальное уравнение первого
порядка:
141
Аг,
~<г ■ст = —
'
(10)
где / - коэффициент трения пород; ктах - максимальный
коэффициент концентрации напряжений на границе зоны
разрушенных пород и зоны, вмещающей породы не участвующие в
процессе разрушения; Яв - размер зоны разрушенных пород в
боках выработки, м; Ь/2 - половина высоты выработки, м; у -
объемный вес пород, т/м3.
Интегрируем соответствующее однородное уравнение с
разделением переменных, получим:
*т. * / * - { * - * ) И ) )
о, х-ЧК
■<& = 0
*"’• ь,с
. . -»/■»«<*-*)
(П )
(12)
(13)
где С(х)- неизвестная функция.
Отсюда:
- ы \ ( I иЛ <п п . , т Л ч - ^ М у 2)о\ = С'(*)|(*+%/+(Я0-дЛ ] +С(х)-------- — -----Щ -
/Ни»!*-*) ,
(14)
Подставляя аж и Ых в исходное выражение (10), придем к
уравнению:
(15)
*>) . у
142
или
у
(16)
откуда
С(*> {г$ [(х + НЛУ ̂ ~ Я6?
( ( к/ <1
'У
к0-к в
сЬс =
Р ! 1шх ,( ж0-*б )
<&
(17)
Для простоты расчетов разложим подинтсгральное
выражение в степенной ряд:
Гг+л / л
.... / 2 +1
К-Л.К / /
2Ло*с т Л ч - К ь
= 1+- 2яЛ.А»
Д.-Д.
т Л к - к )
2ч а 1 2ч * . ;
(18)
Д.-Д,
Получим:
/Р_(я,-Д) , я *_(д -д ) Я*_(Д-Д) ,1
Г ,. 24*. дг+% 2яК,к, 24* . ) х+%
1+ ‘ 1! А-А, ̂ У 2\ А, 4\ /
—
(19)
*„ ч * .
* я г
л.-л, Г +1
|Гд » - (д - д ) ,
Л,-Л.
Л
143
где С- произвольная постоянная.
Принимаем С~ С,.
Из выражений (13) и (21) следует:
■Л*-*)
и * - » . )
или
»(*-*) м
(х+ % ) , ( 2 я Х . к . ] / 2 ’
л К ак , б - (л .-й .) 20
/*»«*• («6-*о)
УДОтах
^ ( х + % ] + ( Я - Я , У
-«0*0
я й ' К
\
(22 )
+С.
|А*_ \Х+У2} , I 2/Д.*. / /2/
2 0 (Л( -Л„)’
лК{ +с,
(23)
Так как при дс=0 стх=ггп (где <Тп - напряжения на поверхности
почвы выработки возникающие за счет противодействия
вьщавливанию пород почвы, МПа), то выражение (23) примет вид:
* * * : ( х . - К )
К >
6(Я.-КУ 20-(Л,̂ У +с.
откуда
лЯ9к\ат
т .
^ ) +(к - к.У
(л,-Я.)
Из выражений (23) и (25) получим:
*■“<*< *б)
^м^1Цх,-я.Уг№ .
лК,к[ (я,-я.)
( ® ^ ' К
б (я.-я,) 20{Я-К,У
лКк\ (я,-я.)
Ф -
**о*« ^ - . ( Ц ) +1У
2яК* 1'/2'И
б -(я .-д .) ‘ 20 '(я .-/г .)’
(24)
,
б -(я .-л .) 2 0 (Я .-Я .)’
(25)
(26)
После тождественных преобразований вьфажение (26)
примет вид:
145
*шт < **-*•)
ь.)?У .
ОО1 •<».->’ \
и8Д-
лк' Я. (Д-Д)
я к ,-К , х 1 [ м - м ы М - М ) ], 1 ДО- И Ш 1
6 (Д-Д) 20 (д-дУ 40 лк. д (д -д )1
(27)
Полученное уравнение позволяет определять напряжения в
выделенном объеме сьгаучего тела в зависимости от его высоты с
учетом ап, К Кб, Ко. Д /, ко, кто* и показывает, что с удалением от
контура почвы выработки х интенсивность напряжений
возрастает.
Графически характер изменения напряжений в породах
почвы выработки в пределах зоны разрушенных пород в
зависимости от удаления вглубь массива от контура почвы
выработки при подстановке значений влияющих факторов для
условий конвейерной выработки 5-ой восточной лавы пласта си
шахты «Южнодонбасская» №3 может быть представлена в
следующем виде - рис. 7.
а„ МПа
Рис. 7. Характер изменения напряжений в породах почвы
выработки в пределах зоны разрушенных пород в зависимости от
удаления вглубь массива от контура почвы выработки.
146
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соловьев Г.И., Негрей С.Г., Кублицкий Е.В. Опытно
промышленная проверка способа локализации выдавливания
пород почвы // Геотехнологии на рубеже XXI века - Донецк -
ДУНПГО. - 2001. - С.63-68.
2. Цимбаревич П.М. Рудничное крепление. - М.-Х.: Углетехиздат,
1951. - 607 с.
3. Бондаренко Ю.В. Научные основы безлюдной и безотходной
технологии выемки весьма тонких пологих пластов. Дис... докт.
техн. наук: 05.15.02. - Донецк, 1991. -3 5 5 с.
4. Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел. - М.:
Стройиздат, 1977. - 256 с.
5. Махно Е.Я. Вопросы разработки крутопадающих пластов угля с
применением щитовой крепи. - М.: Углетехиздат, 1957. - 230 с.
6 . Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс): Учебник для
вузов. - М.: Высш. школа, 1983. - 288 с.
7. Маслов Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов.
- М.: Высш школа, 1982. - 503 с.
8 . Кандауров И.И. Механика зернистых сред и ее применение в
строительстве. - Ленингр.- Москва: Изд. литературы по
строительству, 1966. - 319 с.
9. Бондаренко Ю.В., Соловьев Г.И., Негрей С.Г., Мороз О.К.
Моделирование механических процессов в породах почвы
подготовительной выработки // Прогрессивные технологии и
системы машиностроения - Донецк - ДонГТУ. - 2000. - С. 105-
109.
10. Цвылев Н.А. Исследование давления на крепь и смещений в
породах, окружающих штрек / / Исследования горного
давления - Москва. Государственное научно-техническое
издательство литературы по горному делу - 1976. - С. 58-69.
11. Цимбаревич П.М. Об углах внутреннего сопротивления в
горных породах // Горный журнал. - 1933. - Ир 7-8. - С. 48-51.
12. Максимов А.П. Горное давление и крепь выработок. - М.:
Недра, 1973. - 288 с.
13. Терентьев Б.Д., Кушнаренко Г.Л., Фрянов В.Н. Исследования
напряженно-деформированного состояния пород вокруг
подготовительной выработки в зоне влияния очистных работ / /
Уголь. -.1991. - №6 . - С. З-б.
14. Сонин С.Д., Черняк И.Л., Лукичев В.С. О влиянии некоторых
горнотехнических и горно-геологических факторов на
интенсивность пучения почвы горных выработок в условиях
Подмосковного бассейна / / Разработка месторождений
полезных ископаемых - М.: Недра - 1965. - С. 172-181.
15. Авторский надзор за внедрением рациональных способов
охраны подготовительных выработок, предотвращающих
пучение почвы: Заключ. отчет/ ДПИ; Руковод. А.И. Костоманов
147
Х-77-11; № ГР 76038286; Инв. № 0282.0082385,- Донецк. -
1980.- 64 с.
16. Гмошинский В.Г. Горное давление и расчет крепей
горизонтальных выработок / / Исследования горного давления -
Москва. Государственное научно-техническое издательство
литературы по горному делу - 1976. - С. 411-434.
17. Долоткин Ю.Н., Стесев В.В., Погудин Ю.М. Анализ состояния
повторно- используемых выработок глубокого заложения / /
Уголь. - 1993. - №3. - С. 9-10.
18. Виноградов В.В. Геомеханика управления состоянием массива
вблизи горных выработок / Под ред. А.Н. Зорина. - К.: Наук,
думка, 1989. - 192 с.
19. Дашко Р.Э. Механика горных пород. - М.: Недра, 1987. - 263 с.
© Соловьев Г.И., Негрей С.Г., Гирин В.С., Кублицкий Е.В.
|