РУКОВОДСТВО ПО ИСПЫТАНИЯМ ГОРНЫХ ПОРОД

НА БОКОВОЙ РАСПОР

Ленинград 1969

МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА ВНИМИ

РУКОВОДСТВО ПО ИСПЫТАНИЯМ ГОРНЫХ ПОРОД

НА БОКОВОЙ РАСПОР

Ленинград

1969

проявления бокового распора.

Смысл величин Л и В следующий:

А - коэффициент бокового распора, характеризующий для данной породы зависимость реактивного бокового давления от активной нагрузки, сжимающей породу при условии полного предотвращения деформации выдавливания породы;

В - коэффициент полеречной разгрузки, показывающий, насколько снижается давление бокового распора данной породы в результате развития деформаций бокового выдавливания.

Рис.2.

танки зависимость давления бокового распора Ор от сжимающей нагрузки 0<* для цилиндрического образца алевролита, извлеченного на шахте им.Карла Маркса (Донбасс). Из графика видно следующее:

а) зависимость при одной и той же деформации выдавливания получается линейной, причем наклон линий для нагружений с различными величинами фиксированной деформация выдавливания Бр одинаков, что говорит о постоянстве величины А в выражении (3). Здесь деформация вы-

давлдвання считается отрицательной, если имеет место увеличение поперечного размера нагружаемого тела;

б)    при одной ■ той же постоянной деформации выдавливания имеет место обратимость 'нагружение-разгружение', так как нагрузочная ветвь соответствующего графика мало отличается от разгрузочной. Это проявление упругости м распространяется, однако, на деформацию выдавливания, которая в значительной мере является остаточной;

в)    параллельное смещение от начала координат графиков, отвечающих различным ступеням фиксированной деформации выдавливания, пропорционально величине этой деформации, что свидетельствует о постоянстве величины В в выражении (3).

Для пластических глин с большой влажностью и других аналогичных пород установлено, что коэффициент бокового распора А не является постоянной величиной. На рис.З изображена зависимость давления бокового распора Ьр от сжимающей нагрузки 0(х    ,    полученная    при испытании образ

цов кембрийской глины из района г.Таллина, на рис.4 - зависимость коэффициента бокового распора от величины сжимающей нагрузки, действующей на образец той же породы. Из графика (рис.4) видно, что коэффициент бокового распора возрастает с увеличением нагрузкя, однако, и для таких пород в некотором интервале сжимающих нагрузок можно считать коэффициент А постоянным, так как кривая, характеризующая зависимость коэффициента бокового распора от величины нагрузки, быстро выполаживается.

Опыты по определению показателей бокового распора горных пород показали, что большинство слабых горных пород имеют сильно выраженную склонность к проявлению ползучести и релаксации напряжений. Ползучесть пород выражается в асимптотическом росте деформаций в результате длительного действия постоянных нагрузок. Релаксация напряжений заключается в асимптотическом изменении напряжений в результате действия задаваемых породе не изменяющихся во времени деформаций.

В явлении бокового распора релаксация напряжений вы-

11

/* — — — Qk_ A' ЦТ _я у / / rf 7 f —Я9_ -----: —

W    to    HO    too    200    6,    rr/c„! Рис.4.

12

ражаетсз а том, что лри фиксированной величине деформации выдавливания горной породы постоянная по величине активная сжимающая нагрузка для своего уравновешивания требует асимптотически возрастающего с течением времени давления бокового распора* Это явление находит свое отражение в том, что данная горная порода характеризуется не одним коэффициентом бокового распора А, а двумя аналогичными коэффициентами:    при    кратковре

менном действии нагрузок - А ₀ и при длительном действии нагрузок - А оо • Эти коэффициенты линейно связывают величину активного давления    с    давлением рас

пора Op (q) в начале действия давления 6_а и с давлением распора 0р(о«) по затухании процесса релаксации, причем выдавливание породы в течение всего этого процесса отсутствует.

А_р= --^p(D) (при е_р= 0); А^=    (при £_р=0).

Опытами с цилиндрическими образцами, подвергнутыми осесимметричному нагружению, былд для ряда пород установлено следующее:

1. Коэффициенты бокового распора А₀ н А^ ш общем случае зависят от величины нагрузки, действующей на образец: чем больше нагрузка, тем больше величина А_е и А оо . Однако, для многих типов пород в определенном интервале нагрузок коэффициенты А₀ и А.^ можно принимать постоянными величинами, не зависящими от величины нагрузки, что подтверждает линейность зависимости главных напряжений как при их приложении, так и при длительном действии.

2.    Коэффициент бокового распора при длительном действии лагрузок для хаждой породы не меньше коэффициента бокового распора при кратковременном действии нагрузок:

А о« ^ A Q.

3.    Процесс релаксации бокового распора при испытаниях образцов глинистых пород длится от нескольких часов до нескольких десятков часов, после чего напряжения ста-

13

деформировании.

При решении практических задач по усовершенствованию крепления выработок и целесообразному использованию горного давления обычно не приходится производить потного расчета напряженного состояния массива горных пород. Однако, значение общих закономерностей деформирования пород используется для практически весьма важных несложных относительных расчетных оценок влияния на горное давление тех или иных технических мероприятий по усовершенствованию крепления.

Проведенные во ВНИМИ лабораторные испытания на боковой распор сжимаемых цилиндрических образцов показали, что среди слабых пород есть такие, для которых коэффициенты поперечной разгрузки В₀ и    не    явля

ются постоянными величинами при любой интенсивности деформированного состояния породы. Этими опытами было установлено, что для ряда пород при выдавливании сжимаемой породы эти показатели уменьшаются в линейной зависимости от деформаций выдавливания £р . Влияния на показатели Во и Вое величины сжимающей нагрузки обнаружено не было. На рис.5 в качестве иллюстрации

Рис.5.

графически представлена зависимость коэффициента полеречной разгрузки от деформации выдавливания, полученная

17

Величины давлений сокового распора сжимаемого массива при неравных компонентах напряжений (третий и пятый варианты задания условий нагружения) выражаются соответственно:

(19)

В(И-А) .К.ЛД „..А-К Ор А 0(1+ ^ Ц- 7Д    .    a'V-d¹!

Интересно отметить, что проявление бокового распора для нелинейно деформируемых пород в известных условиях может характеризоваться потерей их устойчивости» зависящей от наличия экстремума квадратичной деформационной зависимости*

Из изложенного видно, что основными показателями, характеризующими способность слабых горных пород деформироваться и передать активные нагрузки в форме бокового распора, являются следующие:

Aq - коэффициент бокового распора при кратковременном действии нагрузок;

А во “ коэффициент бокового распора при длительном действии нагрузок;

В о - коэффициент поперечной разгрузки при кратковременном развитии деформаций;

Во* - коэффициент поперечной разгрузки при длительном развитии деформаций;

К - коэффициент нелинейности деформаций.

Эти показатели определдются для каждой породы путем соответствующих механических испытаний ее образцов.

19

АННОТАЦИЯ

В предлагаемом 'Руководстве* изложено обоснование и содержание метода лабораторного испытания слабых ко-* ре иных пород на боковой распор применительно к целям получения исходных данных для строительства и эксплуатации капитальных и подготовительных выработок при подземных разработках.

В настоящем 'Руководстве* по сравнению с первым его изданием (нзд.1961 г.) описана усовершенствованная аппаратура испытаний и даны указания по проведению испытаний и использованию их результатов на основе накопленного опыта испытаний и ряда дополнительных исследований, выполненных к. т*н. Карташовым Ю.М. и инж. Белл ад ом И*Г„

В новом 'Руководстве* дана также сводная таблица для типичных горных пород, подвергнутых испытаниям на боковой распор в лаборатории механических испытаний ВНИМИ.

'Руководство' составлено к*т.я.Матвеевым Б.В., х.т.н. Карташовым Ю*М. и инж. Белл а дом И. Г.

ГЛАВА II

ОБОСНОВАНИЕ И СОДЕРЖАНИЕ МЕТОДА ИСПЫТАНИЙ НА БОКОВОЙ РАСПОР

1* Обоснование метода

В ©скову разработки метода лабораторных испытаний на боковой распор положено, что наиболее близкие к натурным показатели свойств пород могут быть получены при условии максимального приближения условий испытаний к условиям бокового распора пород в массиве, окружающем горную выработку. Для достижения такого приближения необходимо обеспечить максимальную представительность материала образцов в отношении его вещественного состава, структуры, целостности и влажности, типичных для места его залегания в массиве, а также подобие прикладываемых испытательных нагрузок, их интенсивности и режима испытаний - фактически действующим в массиве нагрузкам.

Метод лабораторных испытаний слабых пород на боковой распор разработан ВНИМИ в 1958-58 гг. и значительно усовершенствован в 1967-68 гг. применительно к задачам прогноза горного давления на крепь вертикальных шахтных стволов н других капитальных выработок. Метод предусматривает приложение к цилиндрическим образцам породы (диаметром 36 мм и высотой 40 мм или 70 мм) объемных нагрузок, имитирующих сжатие и боковой распор, и определение равновесных соотношений этих нагрузок, отвечающих задаваемым деформациям выдавливания.

Режим испытания с задаваемыми величинами деформации выдавливания (^{л ае} деформации сжатия Б₁ ) достаточно близко воспроизводит естественные условия массива горных пород, где эти деформации равны нулю при нетронутом массиве или имеют конечные значения (отрицательные), задаваемые податливостью в направлении выработки*

20

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ

1. Ц е л и проведения испытаний на боновой распор

Давление на крепь капитальных и подготовительных подземных выработок различного назначения вызывается деформированием вмещающих выработку пород в условиях сложно-напряженного состояния массива, окружающего выработку.

Механизм напряженного состояния массива горных пород и давления этих пород на крепь выработки определяется с одной стороны, размерами и расположением этой выработки, ее креплением, а также геологией массива, с другой же стороны показателями механических свойств как кре-пк выработки, так и вмещающих ее пород.

Необходимость в анализе механизма горного давлэння на крепь, а, следовательно, и необходимость в знании механических свойств горных пород возникает как при проектиро^-вании рационального размещения и крепления выработок, так и в случаях, когда существующие условия эксплуатации выработки сопровождаются нежелательными проявлениями горного давления. В последних случаях для исправления создавшегося положения требуется проведение обоснованного комплекса тех или иных практических мероприятий.

Проявление горного давления и сдвижения горных пород в капитальных и подготовительных выработках с относительно малыми пролетами обнажения обычно характеризуются отсутствием значительных разрушений и вывалов породы; большая плотность крепи, а зачастую и сплошное крепление обусловливают работу вмещающего выработки массива преимущественно как сплошной среды. Поэтому оценка механизма работы крепи таких выработок может быть получена в результате анализа деформирования сплошного сложно-на-прнженяого массива пород с обусловлеино податливым отверстием - выработкой. Иначе говоря, в случае капитальных и

3

подготовительных выработок, когда крепление исключает возможность разрушения массива лород с полным или ластичным отделением от него соизмеримых с выработкой обломков оказываются применимыми принципы механики сплошной среды. Горное давление в а тих условиях проявляется главным образом в форме выдавливания горных пород в в 4-работку без нарушения их сплошности, с возникновением давления бокового распора пород я*- крепь, препятствующую выдавливанию. Напряженное состояние, деформации, сдвижения и давления горных пород около выработки при этом определяются общими зависимостями, характеризующими деформируемость пород, то ъсть видом связи компонент их напряжений и деформаций. Индивидуальные особенности различных пород находят при этом отраженье в количественном различии показателей их деформируемости (упругости, пластичности), участвующих в указанной зависимости.

Из изложенного ясно, что решение задач управления горным давлением в капитальных и подготовительных выработках требует обязательного предварительного изучения деформационных свойств вмещающих горных пород и численного определения показателей этих свойств» Наиболее существенными являются показатели бокового распора. Целью испытаний на боковой распор, таким образом, является экспериментальное получение этих показателей для использования пры теоретических расчетах механизма нагрузок на проектируемую или ре конструируемую крепь капитальных или подготовительных выработок, а также при обоснования практических мероприятий по обеспечению устойчивости этих выработок.

2, Деформируемость горных пород я показатели бокового р а с п о р а

Механкческое состояние сплошного массива около выработки описывается картиной пространственной неоднородности деформаций и напряжений, то- есть характером изме-

4

пения их в пространстве около выработки* Это распределение напряжений и деформаций в лросранстве определяется законом их взаимной равновесной связи» специфически присущим. материалу пород, окружающих выработку. Пэн этом наибольшее практическое значение имеют случаи, когда выработки пройдены по слабым разновидностям горных пород, так как осложнения при эксплуатации этих выработок происходят значительно ч&ще, чем при более крепких породах.

Механическое состояяиэ дагоужекнэго материала характеризуется' двенадцатью компонентами напряжений и деформаций, ориентированными относительно произвольно выбранных осей Х,У, Z :    >^2» ^xy^yz^xz* ^£x»^ey»^ez*Тху Tyz > Тхх*

Используя шесть уравнений статики и геометрические соображения , можно так выбрать направления осей координат (главные оси 'Л1,п, I ), чтобы касательные компоненты приобрели нулевые значения, тогда общее число компонент снижается до шести, так как остаются только главные напряжения    и    главные    деформации    б_т,6_п,£_г . Это

способствуэт как удобству использования аналитических выражений напряженного состояния материала в инженерных расчетах, так и большей ясности их физического смысла.

Шесть главных компонент деформаций и напряжений, количественно связаны выражениями взаимной зависимости деформаций и напряжений данного материала — законами деформируемости. Для материалов же, деформирующихся во времени, кроме э^чх компонент в выражениях закона деформируемое^ ти участвует также и время - либо прямо, в виде указания моментов длительности процессов деформирования или нагружения, либо косвенно, в виде скоростей деформирования (ползучесть) или скоростей изменения напряжений (релаксация). Однако особенно большое практическое значение имеют случая, когда время не влияет на зависимость между главными компонентами или когда фиксируется связь между конечными значениями этих компонент в конце затухающих процессов ползучести или релаксации. Именно эти случаи здесь главным образом и будут рассматриваться.

Взгимные згвисимости между главными компонентами

5

таковы, что часть из этих компонент определяется усло^-внями нагружения (активные компоненты), а остальные получаются, как результаты действия первых (реактивные компоненты). Можно указать шесть типичных вариантов задания условий нагружения:

1) задаются три главные компоненты тензора напряжений    А    А А

°т > ^ип»°Р

определяются главные компоненты тензора деформаций

m

2) задаются три главные компоненты тензора дефор

определяются главные компоненты тензора напряжении»

3)    задаются два главных напряжения и деформация в направлении третьего главного напряжения

^ m *    ^    V    ’

определяются остальные компоненты напряжений н деформаций

^ I ^{1 е} m >    1

4)    задаются два главных напряжения и деформаций, совпадающая по направлению с одним из задаваемых напряжений.

m

определяются остальные компоненты напряжений я деформаций

*4 * ^£п »    ’

5) задается одно из главных напряжений н две главные деформации, не совпадающие с ним по направлению

m ’ п > ^& 1/»

определяются остальные компоненты напряжений и деформаций

m

6

6) задается одно из главных напряжений и две главные деформация» одна из которых совпадает по направлению с задаваемым напряжением

определяются остальные компоненты напряжений н деформаций»

°П »    ^е    V

Из этих шести случаев первые два яжхяюгся наиболее показательными для общей иллюстрации закона деформационной зависимости, связывающей деформации и напряжения данного материала» Применительно же к условиям выдавливания породы из массива в направлении горной выработки естественно использовать законы равновесной зависимости деформаций и напряжений в форме зависимости реактивного давления бокового распора 6р от задаваемых условиями нагружения активных 'нагрузок к ограничивающих ('задаваемых') деформаций (см»рис»1)« Поэтому для анализа напряженного состояния сплошного массива около горной выработки важными являются третий и пятый из перечисленных шести случаев.

Третий случай устанавпивает зависимость реактивного давления бокового распора 6_Р в направлении выработки от активной сжимающей нагрузки веса налегающего массива б_а , деформации выдавливания £_р в направлении выработки, обусловленной податливостью ее закрепления и третьего главного напряжения 6^    ;

Пятый случай задания условий нагружения устанавливает зависимость бокового распора 6р от сжимающей нагрузки 6ц , деформациями выдавливания 6р и ограничивающей деформации £₀ в третьем главном направлении:

^р“ § (^Ga * kpi

Закон деформируемости» выраженный в любом из указанных шести вариантов для различных типов материалов (упругих, пластичных, сыпучих, жидких), различен. Деформирование упругих материалов, не зависящее от времени и характеризующееся линейной связью деформаций и напряжений, изучено хорошо. При этом деформационные зависимости представляются либо по первому варианту задания: