Понятие о горном давлении

Под горным давлением понимают силы, возникающие в массиве горных пород, окружающих горную выработку. В массиве, где нет горных выработок и естественных пустот, вместо термина «горное давление» используют термин «напряженное состояние». Напряженное состояние вызывается гравитационными силами (силами тяжести горных пород). На эти напряжения могут быть наложены напряжения, вызванные тектоническими силами, природа которых еще недостаточно изучена.
Массив горных пород при отсутствии выработок всегда находится в равновесном напряженном состоянии. При отсутствии тектонических сил напряжения от собственного веса пород пропорциональны глубине.
Массив горных пород в связи с наличием трещиноватости рассматривается как состоящий из отдельных структурных блоков, имеющих или не имеющих между собой сцепления. При оценке прочности и устойчивости массива принимается во внимание средний и минимальный размеры структурных блоков. Наличие трещиноватости (блочности) не оказывает существенного влияния на характер распределения поля напряжений, если в массиве отсутствуют крупные тектонические трещины или карстовые полости. Если действующие напряжения не превышают предела прочности массива пород на рассматриваемой глубине, то оценка напряженного состояния массива может быть сделана как для массива однородного (или квазиоднородного) и упругого.
При отсутствии тектонических сил напряженное состояние однородного упругого массива считается известным, если известны величина и направление главных напряжений, вызванных гравитационными силами. В массиве, не имеющем пустот, тектонических трещин и выработок, максимальное значение главных напряжений, действующих в вертикальном направлении на горизонтальную площадку (рис. 11.1), равно

где γ — объемный вес горных пород, Н/м3; Н — рассматриваемая глубина от поверхности, м.
Для районов, подверженных движениям земной коры, и для зон тектонических нарушений при отсутствии экспериментальных данных вместо Н принимается расчетная глубина Нр=1,5 Н.
Напряжения, действующие в горизонтальном направлении на вертикальные площадки, являются производными от σz и определяются упругими деформационными свойствами пород на рассматриваемой глубине:

где λ=μ/(1 — μ) — коэффициент бокового распора (или горизонтального распора); μ — коэффициент Пуассона.
Массив горных пород, лишенный сил сцепления между отдельными структурными блоками, рассматривают как сыпучий (если размер области в 3—4 раза больше максимального размера структурного блока). К такому массиву применимы законы механики сыпучей среды.
Напряженное состояние массива как сыпучей среды определяется по формулам: σz=γН; σх=σу=λ2σz. Здесь λ2=tg2(45°— 0,5φ) — коэффициент горизонтального распора для сыпучей среды; φ — угол внутреннего трения сыпучего массива.
Сравнивая напряженные состояния сыпучего и упругого массивов, видим, что вертикальные напряжения, действующие на горизонтальные площадки, оцениваются одинаково, пропорциональны глубине к определяются объемным весом порол массива. Горизонтальные напряжения, действующие на вертикальные площадки, являются производными вертикальных напряжении и зависят от физических свойств массива. Горизонтальный распор в сыпучей среде обеспечивает зависание отдельных кусков породы за счет трения и зацепления друг с другом. Зависание будет продолжаться до тех пор, пока собственный вес куска не превысит силу трения между смежными кусками. Если принять μ=0,25, то горизонтальные напряжения σх=σу в упругом массиве будут в три раза меньше напряжения σz. В сыпучем массиве при угле внутреннего трения (φ=42—45°) горизонтальное напряжение в 5—6 раз меньше вертикального.