ГЛАВА 2
ФОРМИРОВАНИЕ ГРАНИЦ ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СОСТОЯНИЕ ГОРНОГО МАССИВА. ВЫБОР МЕТОДОВ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Модель формирования полей напряжений при переменной
структуре массива горных пород
Структурные изменения угленосных отложений определяют образование полей напряжений, которые распределяются по определенной закономерности в зависимости от ранга геологического нарушения. Характер формирования полей напряжений вблизи разрывных образований достаточно хорошо изучен и изложен в работах [49, 67, 85, 140, 141 и др.]. В своих исследованиях автор диссертационной работы использует известные постулаты, на основании которых была разработана модель, основные положения которой следующие [142-144]:
- структура Земли представляет собой изостатический комплекс, состоящий из отдельных тектонических блоков различного масштаба, обусловленных генезисом образования, процессы в которых подчиняются законам колебательного движения в механике твердого тела;
- граничные области полей напряжений представляют собой места переходов противоположной активности, а зоны висячего и лежачего бока от сместителя пород геологического нарушения представляют собой поля соответственно повышенного и пониженного горного давления;
- распространение геологических нарушений, которые носят параллельный характер и ограничивают область одного тектонического блока, являются следствием действия однотипных тектонических сил;
- зона распространения краевых частей угольного пласта обладает определенной площадью, что дает возможность при необходимости разбивать ее на подблоки и отдельные участки;
- для каждого блока и подблока характерны законы сохранения массы и энергии;
- каждый отдельный блок представляет собой автономную динамическую систему, связывающую молекулы кристаллической решетки силами упругости и способную обмениваться на границах любыми видами энергии.
Учитывая сложность структурного строения массива горных пород, достаточно тяжело разработать универсальную модель и описывающую ее теорию, которая бы давала возможность аксиомно получать результаты напряженного состояния массива горных пород. Это происходит из-за существенной вариации факторов, участвующих в формировании полей напряжений. Их взаимное объединение столь сложно, что практически учесть приоритетность причин структурного изменения горного массива во времени не представляется возможным. Однако, к отдельным характерным районам месторождения, или для конкретных горно-геологических условий можно разработать несколько практических подходов исследований, которые давали бы результаты с определенной степенью приближенности. Практическое применение методов прогноза с помощью приближений строительной механики дает возможность получить только относительные результаты напряженно-деформированного состояния массива горных пород.
В предлагаемой модели формирование полей напряжений относительно краевых частей угольного пласта делаются следующие упрощения:
- главное вертикальное напряжение ?z действует перпендикулярно дневной поверхности; главные горизонтальные напряжения ?x , ?y - соответственно параллельно статической зоне блокообразования и мегадеструктивному геологическому нарушению и параллельно динамической зоне блокообразования или же перпендикулярно мегадеструктивному геологическому нарушению;
- распределение главных напряжений в блоковой структуре существенно отличается от гипотезы А.Н. Динника [141], так как коэффициент бокового распора неодинаковый в горизонтальной плоскости и зависит от направления действия тектонических сил сложной динамической системы;
- главные расчетные нормальные и тангенциальные напряжения в массиве горных пород формируются вокруг выработки (зоны статического блокообразования), возникают в результате высвобождения внутренних упругих сил при преобразовании потенциальной энергии упругой деформации в работу по расширению минерального вещества в направлении к центру подземной выработки;
- вблизи тектонических блоков главные вертикальные и горизонтальные напряжения ?x, ?y, ?z, имеют следующую зависимость: ?x ? ?y ? ?z, и выражаются через приоритетные напряжения ?n. Они имеют прямую зависимость от геометрических размеров границ полей напряжений и связаны между собой через переводной коэффициент К, учитывающий внутренние тектонические силы и зависящий от расположения исследуемого участка во времени и в пространстве;
- упругие деформации ?x(y); ?y(y); ?z(y) по всем трем осям имеют различные значения.
Принятая в диссертационной работе модель формирования полей напряжений отражает структуру тектонического строения Львовско-Волынского бассейна. Она может использоваться для определения характера поведения пород при переходе очистными работами из одного поля напряжений в другое. Исследуемой областью является горный массив, который подвергся воздействию разрывного геологического нарушения и располагается в зоне влияния сместителя. Существующие методы оценки напряженно-деформированного состояния массива нельзя полностью применить к предложенной модели. Это требует доработку методов расчета для удовлетворения принятых допущений и возможности применения их в практической деятельности на шахте.
Практическая оценка состояния пород вокруг выработки дается по деформации ее контура или перемещениям отдельных слоев литологической разности в глубине массива, а также по визуальным структурным изменениям.
Исходя из сложности определения численных значений оценки напряженно-деформированного состояния массива и геометрических размеров границ полей напряжений, в диссертационной работе принят комплексный метод. Он включает аналитические определения геометрических размеров границ полей напряжений, лабораторные исследования на эквивалентных материалах и натурные измерения проявлений горного давления в шахтных условиях.
2.2. Выбор метода исследования напряженно-деформированного