§ 17. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ПОДЗЕМНОЙ ВЫРАБОТКИ (ч. 2)
Результаты расчета, полученные для незакрепленной выработки методами теории упругости, правильно отражают напряженное состояние окружающих пород, если они нигде не испытывают пластических деформаций. В этом случае подземная выработка является вполне устойчивой и может быть оставлена без тоннельной обделки, если она не требуется для защиты породы от разрушения или для придания выработке правильной формы.
Однако в общем случае в результате концентрации напряжений прочность породы, ослабленной трещинами и лишенной поддержки изнутри выработки, оказывается превзойденной, и в наиболее напряженных точках контура (рис. 34) начинается разрушение.
Первоначально упругий прогиб кровли выработки, расположенной на глубине H, сопровождается образованием трещин 1 и 2 в растянутой зоне, которые постепенно распространяются в глубь горного массива. Одновременно происходит деформация перегруженных стен выработки, проявляющаяся по-разному в различных породах.
В хрупких породах концентрация напряжений в стенах иногда достигает значительной величины. В нетрещиноватых породах она может вызвать так называемое «стреляние» (отделение от стен линз породы толщиной до 10 см и площадью до 2 м2), которое сопровождается сильным звуком, похожим на выстрел. «Стреляние» характерно для тоннелей, расположенных на больших глубинах, однако иногда оно происходит и на небольшой глубине, где прочность стен не могла быть превзойдена в результате концентрации напряжений. Это объясняется наличием в породе больших тектонических или температурных напряжений.
В мягких породах по мере продвижения забоя происходит разрушение стен, и вертикальное напряжение на их гранях падает почти до нуля (см. левую часть рис. 34) с перемещением зоны повышенных напряжений вглубь горного массива; наличие крепи, поддерживающей стены, сохраняет часть р0 их несущей способности (см. правую часть рис. 34). Значительные деформации стен вызывают дальнейшее развитие трещин в окружающих породах и увеличение прогиба кровли.
Если контур не поддержан временной крепью, происходит выпадание глыб разрушенной породы с увеличением отношения высоты выработки к пролету до тех пор, пока сечение выработки не примет форму устойчивого равновесия. Такой формой является сводчатое очертание, характерное для пещер естественного происхождения. Окружающие выработку породы приспосабливаются к изменившимся условиям, и силовые линии главных сжимающих напряжений, первоначально бывшие вертикальными, обтекают выработку, сгущаясь вблизи от нее вследствие концентрации напряжений в стенах.
В случае закрепления выработки на временную крепь или обделку тоннеля будет действовать только вес разрыхленной породы (вывала), отделившейся от образовавшегося над выработкой свода естественного равновесия, называемого также сводом давления.
Таким образом, давление пород на подземную конструкцию — горное давление — не зависит, как правило, от глубины заложения выработки. Это обстоятельство является исключительно важным, так как дает возможность сооружать на значительных глубинах сравнительно легкие тоннельные обделки сводчатого очертания.
Только в случае расположения выработок на небольшой глубине обрушение нарушенных проходкой пород может распространяться до поверхности с осадкой последней. В этом случае давление на подземную конструкцию определяется полным весом столба вышерасположенной породы.
Своевременная постановка крепи ограничивает остаточные деформация контура выработки и способствует сохранению несущей способности горных пород. При этом чем более жесткой является крепь и чем тщательнее она прижата к контуру выработки, тем быстрее прекращается развитие давления на подземную конструкцию. Можно сказать, что главным условием успешной проходки подземной выработки является сохранение несущей способности окружающих горных пород и использование их как конструктивного элемента.
Несвоевременная постановка крепи и применение крепей податливых конструкций способствуют развитию остаточных деформаций в кровле выработки, образованию свода давления и отделению от него вывала породы, вес которого передается на конструкцию.
Существующие теории горного давления рассматривают случай полного развития свода давления, т.е. не учитывают положительной роли временной крепи.