Современный уровень развития теории горного давления

С 1974 г. в научно-технической литературе начинают публиковаться работы А.В. Савостьянова, касающиеся теоретических основ управления состоянием массива горных пород. Разработанная им теория сдвижения слоистого массива позволяет осуществлять математическое моделирование состояния горных пород в зависимости от природных, технологических и временных факторов для выбора рациональных технологических параметров добычи угля. Выполнив анализ основных механических свойств осадочных горных пород, и произведя физическое моделирование на эквивалентных и оптико-поляризационных материалах, автор получил закономерности сдвижения слоистого массива, подтвержденные производственными данными. Для моделирования слоистых пород, использовались законы сопротивления материалов, которые рассматривались в виде балок-полосок, лежащих на податливом основании.

Установлено, что независимо от исходных данных, характеризующих природные условия, отношение d₀/a находится в пределах 0,60–0,67, что соответствует «золотому сечению», которое отражает один из законов природы. Особенностями расчетов напряженно-деформированного состояния слоя породы при изгибе являлось то, что изменение нормальных напряжений как в зоне предельного состояния, так и от максимума до напряжений нетронутого массива, практически, подчинялись линейному закону. Геометрические параметры защемления а и d₀ использовались автором для определения нагрузок, реакций, поперечных сил, изгибающих моментов, горизонтальных перемещений и опусканий, действующих в слоях породы для условий подработки и надработки угольных пластов либо оставления целиков на смежных пластах.

В результате анализа влияния природных, технологических и временных факторов на состояние массива горных пород установлено, что эпюры нагрузок, формирующиеся вокруг очистных и подготовительных выработок, состоят из нескольких зон опорного давления. То есть, прослеживалась тенденция увеличения числа зон разгрузки-концентрации напряжений, количество которых с возрастанием прочности пород и упругих деформаций, возрастает. В работах, опубликованных начиная с 2006 г., А.В. Савостьянов перешел от прямолинейных зависимостей, описывающих углы сдвижения и разрушения пород, к эллиптическим зонам разгрузки-концентрации напряжений, формирующихся вокруг очистного и выработанного пространств.

В.Ф. Лавриренко, основываясь на фундаментальных законах природы, в 1975 г. разработал термодинамическую теорию, раскрывающую закономерности формирования напряженного состояния, физических свойств и температуры пород нетронутого и нарушенного массива в изменяющихся с глубиной термобарических условиях земных недр. Сущность этой теории заключается в том, что напряженное состояние пород нетронутого массива формируется под действием гравитационного давления, обусловленного весом налегающей толщи пород и самопроизвольных процессов, связанных с перераспределением потенциальной энергии упругой деформации, и переходом генерируемой при сжатии минерального вещества теплоты от более нагретого к менее нагретому участку массива, протекающих в рамках первого и второго законов термодинамики.

На рассматриваемой глубине от земной поверхности исходный единичный объем породы (термодинамическая система), подвергаясь сжатию гравитационным давлением, изменяет свои параметры состояния. В соответствии с законом сохранения массы при внешнем силовом воздействии (сжатии) исходный объем системы уменьшается, а плотность минерального вещества увеличивается. При этом коэффициент уплотнения вещества описывается уравнением. Расчетные значения хорошо согласуются с гипотезой А.Н. Динника. Сжатие системы – единичного объема породы, силами гравитации сопровождается объемной деформацией. Таких образом, породы, залегающие на разных глубинах, представляют собой деформированные (по сравнению с исходным состоянием) твердые тела. При этом справедливой остается теория Дюамеля (1838) – Неймана (1841), утверждающая, что общая (полная) деформация является суммой упругой деформации, связанной с напряжениями обычными соотношениями и чисто теплового расширения, соответствующего существующему в среде температурному полю. В результате перераспределения потенциальной энергии в системе давление на нее со всех сторон становится равным и соответствует гипотезе А. Гейма. Упругие потенциальные напряжения, действующие в горизонтальной плоскости, по абсолютной величине больше, чем вертикальные, и значительно (в несколько раз) превышают геостатические значения, вычисленные по теории А.Н. Динника.

Область прилегающего к выработке массива, в которой потенциальная энергия упругой деформации сжатия преобразуется в кинетическую энергию упругого расширения (увеличения объема) пород под действием высвободившихся внутренних упругих сил по направлению к поверхности обнажения, является зоной разгрузки начальных потенциальных напряжений. Эта зона имеет форму эллипса с полуосями. Самопроизвольный процесс перехода теплоты из массива к поверхности обнажения его выработкой обусловливает появление в породах поля температурных напряжений. Их абсолютная величина зависит от перепада температур и физических свойств минерального вещества. Поля температурных и механических напряжений взаимодействуют.

Изложенная сущность термодинамической теории раскрывает природу и закономерности естественных процессов, протекающих в породном массиве до и после нарушения его равновесного состояния горными работами. Прикладные аспекты теории позволяют определять абсолютное значение радиальных и тангенциальных реальных напряжений по мере приближения к контуру выработки от границы 1-й зоны разгрузки напряжений. Принимая во внимание, что теория объясняет причины деформирования свода равновесия в кровле, пучения в почве и обвалы в боковых стенках механизмы возникновения полей реальных напряжений за пределами массива зоны разгрузки, примыкающей к выработке, остался вне поля исследования. С использованием этой теории возможно спрогнозировать давление, температуру и свойства вещества в глубоких недрах Земли, определять оптимальные размеры конструктивных элементов систем разработки. Однако в большей мере это касается одиночных подготовительных выработок либо очистных смежных камер. Остальная же проблематика, выражающаяся в эффективном управлении горным давлением в процессе подготовки, нарезки, очистной выемки запасов блоков при взаимном влиянии сети выработок за пределами 1-й зоны разгрузки, наложения зон концентрации и др. является не изученной и не позволяет комплексно управлять технологическими процессами добычи руды.

ПОЛУЧЕННЫЕ  РЕЗУЛЬТАТЫ  ОКАЗАЛИСЬ  СИСТЕМНЫМИ