Свойства зон тектонических нарушений      =>       ОГЛАВЛЕНИЕ
Геофизика: спектральное сейсморазведочное профилирование; О надежности подземных сооружений и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

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.


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"

Реклама на сайте: