13. О надежности подземных сооружений
Подземные сооружения находятся в особых условиях. С одной стороны, как и все сооружения, они опираются на грунт (правильнее в данном случае говорить - на горные породы), а с другой стороны, на них сверху оказывается давление со стороны вышележащих пород. Надо сказать, что в горном деле принято рассматривать только давление сверху, со стороны залегающих над сооружением пород. При этом, как решающий фактор, упоминаются такие понятия как горное давление и напряженное состояние.
В соответствии с существующей практикой, все подземные сооружения рано или поздно раздавливаются горными породами, и важнейшей проблемой является создание методик, позволяющих это прогнозировать. Однако за исключением упомянутой во Введении методики прогнозирования обрушения пород кровли в угольных шахтах "Резонанс", успехи в решении этой проблемы, на сегодняшний день, прямо скажем, отсутствуют. На мой взгляд, причина этого кроется в следующем.
Во главе всех разработок при создании методик прогнозирования надежности подземных сооружений стоит проблема измерения горного давления. Как и напряженное состояние - горное давление есть не что иное как просто давление. В твердых средах давление является не скалярной (как в жидкостях и в газах), а векторной (точнее, тензорной) величиной. Однако главное заключается в том, что давление в твердых средах не является измеряемой субстанцией. Датчик давления в твердых средах пока еще не создан, и о величине его судят по результатам измерений смещения определенных, реперных точек, с последующим пересчетом измеренных величин в давление.
Пересчет деформации в давление осуществляется очень просто, с учетом закона Гука. Однако делать это таким образом правомерно только для упругих сред. Горные же породы не являются упругими средами. Доказательство этого было приведено в работах [8, 9]. Поскольку такой подход противоречит общепринятым взглядам, считаю необходимым привести некоторые аргументы.
В качестве иллюстрации наличия либо отсутствия упругих свойств приведем следующий физический эффект. Если стальную плиту, находящуюся в горизонтальном положении и закрепленную на двух опорах у ее краев, нагрузить в середине, то она прогнется. Если нагрузка не превышает предела упругости, то при освобождении от нее (от нагрузки) плита распрямится. Связи между величиной прогиба, величиной нагрузки, толщиной плиты и упругими свойствами известны из теории упругости, которая как раз и возникла для описания таких сред как металлы.
Теперь возьмем плиту из горной породы. При точно таком же ее нагружении также будет происходить ее прогиб. Однако в отличие от описанного случая нагружения стальной плиты, породная плита после снятия нагрузки не распрямится. И более того, с увеличением времени нагружения прогиб породной плиты будет увеличиваться. Дело в том, что если металлическая плита прогибалась вследствие своих упругих свойств, то прогиб породной плиты происходит за счет накопления микронарушенности4.
Придя к выводу, что горные породы не подлежат рассмотрению с позиций теории упругости, мы уже, получается, не имеем права оперировать такими параметрами как горное давление и напряженное состояние. И сразу, надо сказать, как гора с плеч. Потому что нельзя в физике оперировать параметрами и характеристиками, не подлежащими метрологически корректным измерениям.
В условиях слоистого массива горных пород (типа угленосной толщи при пологом залегании поверхностей напластования), вне ЗТН, давление на подземную выработку определяется строением пород кровли. Рассмотрим это на примере штрека в угольной шахте:
При проходке штрека кровля, опиравшаяся раньше, до проходки, на угольный пласт, опору частично теряет. Она теперь опирается на оставшийся угольный пласт по бокам выработки и непосредственно на крепь выработки. Если кровля сложена достаточно мощным (относительно ширины штрека) слоем весьма прочной породы, то при этом образуется прочный мост, и опора на крепь будет минимальной. При уменьшении мощности нижнего породного слоя будет увеличиваться его прогиб, а следовательно, увеличиваться давление на крепь. Прогиб нижнего породного слоя является следствием его отслоения (отрыва) от вышележащих пород. А стало быть, теряют опору эти, вышележащие породы, и к ним пригодны те же рассуждения, которые мы сейчас применили к нижнему породному слою. И в зависимости от мощностей вышележащих породных слоев, давление на крепь будет определяться либо мощностью нижнего породного слоя, либо увеличиваться в соответствии с прогибом вышележащих слоев. В общем случае, давление на крепь со временем увеличивается, и это определяется распространением снизу вверх влияния штрека. Мощности породных слоев определяются местонахождением поверхностей ослабленного механического контакта (ОМК), по которым и происходит расслоение пород кровли. Как показано в работе [10], местонахождение поверхностей ОМК без труда выявляется методом ССП. И, таким образом, решается проблема оценки и прогноза надежности подземных выработок.
Совсем иная ситуация возникает, если имеет место влияние ЗТН. Даже принципиально слоистая среда, каковой является угленосная толща, в условиях ЗТН ведет себя совершенно иначе. И подземная выработка, попавшая в эту зону, оказывается как бы между двух огней. С одной стороны, имеет место пониженная несущая способность почвы, и крепь, естественно, сразу же начинает в нее уходить. Остается без опоры породная масса, находящаяся в кровле выработки. Я специально породы кровли назвал породной массой, потому что, в условиях ЗТН, как только при проходке штрека будет извлечен уголь, породы кровли немедленно устремятся на его место. Тем более, что они не встретят сопротивления уходящей в почву крепи.
Вообще-то здесь картина может быть и не столь однозначной. Во-первых, влияние ЗТН определяется параметрами самого нарушения, и возможно, оно будет сказываться не столь стремительно. А кроме того, неизвестно еще, что больше будет влиять на выработку - кровля или почва. Если почва сложена глинистыми породами, то возможно их выдавливание в штрек. Это так называемое пучение почвы. Явление это бывает очень грозным, и встречаются случаи, когда в течение смены породы почвы поднимаются до самой кровли.
Здесь можно сказать с уверенностью одно - попадание подземной выработки в ЗТН не остается безнаказанным. Иногда эту зону удается преодолеть с небольшими потерями, а иногда при этом гибнут механизмы и даже люди. Естественно, что получив заранее информацию о том, что на пути выработки имеет место ЗТН, можно снизить ее влияние имеющимися в арсенале подземщиков средствами. Либо просто отказаться от ее пересечения.
Если подземная выработка имеет стационарный характер - скажем, метрополитен или какое-то подземное предприятие, то и здесь следует первым делом выделить ЗТН и осуществить некоторые вполне определенные действия. В частности, все крепи, поддерживающие кровлю, в ЗТН не должны опираться на почву. То есть необходимо применять какие-то мостовые конструкции. Причем таким образом, чтобы их опоры находились за пределами ЗТН. Возможны и другие технологические решения, и выбор их определяется конкретной ситуацией.
4 Но говорить, что упругие свойства горных пород полностью отсутствуют, тоже нельзя, так как их звукопроводность - это проявление как раз упругих свойств. Но при увеличении амплитуды колебаний наступает пограничное состояние, когда упругие колебания вызывают неупругие, необратимые деформации.
|