Оценка и расчет устойчивости горизонтальных выработок (часть 1)

Под устойчивостью горных пород понимают их способность сохранять равновесие при обнажении. Устойчивость горной выработки — способность ее сохранять заданные ей размеры и форму в течение всего срока эксплуатации. При проведении выработки равновесное состояние массива горных пород нарушается, поскольку изменяется первоначальный характер распределения напряжений в массиве: появляются области пониженных напряжений (в кровле и почве выработки) и области повышенных напряжений (в боках) по сравнению с существовавшими в массиве до ее проведения. В кровле выработки вместо сжимающих напряжений, существовавших ранее в массиве, ах или ау, появляются растягивающие напряжения. Повышение и понижение напряжений оценивается через коэффициент концентрации напряжений, под которым понимают отношение величины действующего на контуре выработки напряжения к величине напряжений, существовавших в этой же точке до проведения выработки. Эпюры напряжений на контуре горизонтальной выработки в упругом массиве пород показаны на рис. 17.2.

Максимальные вертикальные сжимающие напряжения на горизонтальных площадках в боках выработки

горизонтальные напряжения в кровле

где К1 и К2 — коэффициенты концентрации напряжений.
Растягивающие напряжения в кровле на небольшой высоте переходят в сжимающие напряжения. Коэффициент концентрации сжимающих напряжений до проведения выработки равен единице. Коэффициент концентрации растягивающих напряжений К2 принимается в долях от сжимающих. Величина коэффициента концентрации напряжений зависит в основном от формы выработки. В боках выработки, при вертикальной стенке и любой форме свода, можно ориентировочно принять К1=2. При плоской кровле и трапециевидном сечении К2=1. При прямоугольно-сводчатой форме и коробовом своде, когда его высота h0=В/3 (где В — ширина выработки), K2=0,3; если h0=В/4, то K2=0,4. В выработке круглого сечения К2=0,2.
Оценка устойчивости контура незакрепленной выработки выполняется обычно для одноосного напряженного состояния по величине максимальных напряжений в рассматриваемой точке. Такой подход можно считать правомерным, так как в качестве критерия оценки устойчивости применяется запас прочности (устойчивости) пород, который определяют для одноосного напряженного состояния. Запас прочности численно показывает, во сколько раз допускаемые (расчетные) напряжения меньше предела прочности (временного сопротивления) массива горных пород. Запас прочности вводится для расчета устойчивости обнажении горных пород в выработке по предельному состоянию, под которым понимают такое состояние, при котором выработка перестает удовлетворять заданным требованиям (находиться без крепи в период эксплуатации). Массив пород, окружающий выработку, находящуюся без крепи, постепенно меняет свои свойства: продолжается развитие трещин на контуре, что приводит к перераспределению напряжений внутри массива. Изменяются свойства пород под влиянием рудничной атмосферы и сейсмического воздействия взрывов. Поэтому для обеспечения безопасной эксплуатации выработки необходимо учитывать изменчивость нагрузок, механических свойств и условий работы массива как строительной конструкции. Основными характеристиками нагрузок и воздействий являются их нормативные значения, т. е. значения, близкие к наибольшим нагрузкам и воздействиям при нормальной эксплуатации. Эти нагрузки устанавливаются Строительными нормами и правилами (СНиП II-6—74). Поскольку все характеристики воздействия и свойства массива количественно оценить трудно, приведем приближенное определение коэффициента запаса прочности для породного массива. Этот коэффициент n представляет собой совокупность следующих коэффициентов: перегрузки nп, безопасности (по материалу) k, надежности kн и условий работы m:n=nп*kн/m.

---