Напряженное состояние массива в естественных условиях

Элементарный блок горных пород вне нарушенном горными работами массиве пребывает в объёмном напряжённом состоянии под действием главных напряжений σ₁, σ₂ и σ₃.

Если элементарный блок находится на некоторой глубине h, то на его горизонтальной поверхности возникает вертикальное напряжение σ₁, зависящее от плотности горных пород, ускорения силы тяжести и глубины:

,

где - удельный вес природной горной породы

- плотность горных пород

Под влиянием σ₁ на вертикальных гранях элементарного блока по двум взаимно перпендикулярным направлениям возникают напряжения σ₂ и σ₃ бокового отпора. В крепких однородных ГП до глубины 1000 м (в пределах существующих глубин карьера) величины горизонтальных напряжений σ₂ и σ₃ равны между собой и зависят от модуля Юнга Е, коэффициента Пуассона т и главного наибольшего напряжения σ₁.

При σ₁< σ_сж указанные показатели, согласно закону Гука, связанны между собой уранениями:

,

,

,

где , , - величины относительной деформации по направлению действия главных напряжений

т.к. σ₂ =σ₃, а , то

Модель такого массива можно представить в виде системы плотно пригнанных друг к другу столбов ГП. Высота столбов ограничивается прочностью ГП при одноосном сжатии σ_сж. Реальность модели подтверждается наличием в природе вертикальных откосов высотой в тысячи и более метров (водопад Анхель в Венесуэле (1054 м)).

Таким образом, поскольку коэффициент Пуассона для скальных ГП 0<m<0,5, то σ₁>σ₂= σ₃. В слабых ГП, обладающих пластичными свойствами, с предельным значением т≈0,5 главные напряжения σ₁= σ₂= σ₃. В этом случае происходит гидростатическое распределение в массиве напряжений. Этому состоянию соответствует модель вязкой жидкости. Пример наличия гидростатического распределения напряжений: выдавливание ГП на горизонтальных площадках от дополнительной нагрузки на естественный массив в виде отвалов. При этом выпирание часто происходит на значительных расстояниях (до 500 м от основания отвала).

В реальных условиях массивы ГП весьма неоднородны по структуре и свойствам и, как правило, не соответствуют ни одной из приведённых выше моделей. Это подтверждается некоторыми отклонениями ожидаемых величин главных напряжений рассчитанных по формулам от действительных, замеренных непосредственно в ГП.

Значительно сложнее становится напряжённое состояние массива под действием тектонических сил. Под влиянием этих сил направление и величина главных напряжений могут изменяться в больших пределах. Иногда возникают аномально высокие горизонтальные напряжения, превышающие вертикальные. Причиной такого состояния может быть только тектонические силы, сжимающие массив.

Условия и закономерности проявления в массивах тектонического силового поля весьма разнообразны и ещё недостаточно изучены. Наличие такого поля и его параметры можно обнаружить и учесть пока только путём измерения напряжений и анализа структуры массива в натурных условиях.

112. Изменение напряженного состояния массива горных пород при веде­нии открытых горных работ

Выемка горных пород резко нарушает установившийся природный режим горного массива и изменяет поле напряжений. В некоторой области вокруг карьера изменяется первоначальное напряжённое состояние массива и возникает новое поле напряжений. В первую очередь это связано с уменьшением мощности отрабатываемого слоя (H^’<H) и возможности деформации в сторону выработанного пространства.

Состояние горных пород (в пределах упругих деформаций) при плоском в плане откосе характеризуется следующими значениями:

,

,

,

где - модуль Юнга

- относительная деформация в сторону откоса

- коэффициент Пуассона

При изогнутом в плане откосе изменяется не только σ₂, но и σ₃. При вогнутой форме появляется дополнительное горизонтальное напряжение сжатия, а при выпуклой дополнительное растягивающее напряжение.

По высоте откоса наблюдается концентрация напряжений в основании откоса. Как правило, вертикальные и горизонтальные напряжения возрастают от верхней площадки уступа к нижней. В близ верхней площадки уступа есть области, где преобладают горизонтальные растягивающие напряжения. Здесь могут развиваться трещины отрыва. Поле напряжений зависит и от множества других факторов связанных с изменением природной обстановки.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: