УДК 622.02/03:539.215

О.П. Помашев

О ГОРНОМ ДАВЛЕНИИ НА ВЫРАБОТКИ, ПРОВОДИМЫЕ НА БОЛЬШОЙ ГЛУБИНЕ И ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВАХ ПОРОД.

Известно решение задачи о напряженном состоянии изотропного горного массива с выработками круглого сечения [1]. Взаимовлияние подземных горизонтальных выработок разного сечения описывается уравнениями напряжений в потолочине и в боку малой выработки

; (1)

, (2)

где - осредненный удельный вес пород кровли равный 2,7 т/м³; Н – глубина от земной поверхности до центра выработки, м; g – ускорение свободного падения, м/с²; R – радиус выработки большого сечения; - расстояние между центрами взаимодействующих выработок (, где R, r – радиусы выработок; S – размер целика, т.е. расстояние между контурами выработок).

Допуская вывод формул (1) и (2) применительно только к выработкам малого сечения, т.е. принимая R=2-3 м, а также при больших глубинах опираясь на полученное нами S=22 м, при которой выработки не влияют друг на друга, формулы (1) и (2) можно записать в измененном виде:

; (3)

. (4)

Так как в земной коре отсутствуют явные перемещения вдоль радиуса земли, сравнимые с ускорением свободного падения g=9,81 м/с², то в формулах (3) и (4) множитель g можно опустить и расчеты горного давления на горизонтальные выработки выполнять по формулам

; (5)

. (6)

Результаты расчетов горного давления на горизонтальные выработки по формулам (5) и (6), а также расчеты при глубинах м, сведены в таблицу 1 и по ним построены графики рисунка 1. По этим результатам можно судить, что при больших глубинах (при Н более 1000 м) давления на потолочину и бока выработки становятся примерно одинаковыми (на рисунке 1 это видно по пунктирной линии, которая соответствует расчетам , т.е. напряжению в потолочине по формуле (6)). Расчеты по формулам (5) и (6) дают очень близкие между собой значения сжимающего и растягивающего напряжений соответственно в боковой части и в потолочине выработки.

Из вышеизложенного следует, что при больших глубинах горное давление в боках и потолочине выработки частично выравнивается, поэтому формулы (5) и (6) вполне можно использовать при расчетах наклонно и вертикально ориентированных выработок.

Таблица 1. – Результаты расчетов изменения горного давления на выработки с глубиной.

Н, м	900	1000	1500	2000	2500	3000	3500	4000	4500	5000
, МПа	49,5	55,0	82,5	109,9	137,4	164,9	192,4	219,9	247,4	274,9
, МПа	47,8	53,1	79,7	106,2	132,8	159,3	185,9	212,4	239,0	265,6
, МПа	24,3	27,0	40,5	54,0	67,5	81,0	94,5	108,0	121,5	135,0

В настоящее время месторождения полезных ископаемых разрабатываются с глубоких горизонтов. Например, нефтяные добычные скважины бурят уже до глубины 5-6 км. Угольные и рудные месторождения разрабатываются с глубин более 1000 м. Эти обстоятельства показывают, что весьма актуальными являются решения задач по бурению глубоких скважин и об устойчивости различных выработок на большой глубине и их креплении.

Для решения этих задач применительно к конкретному месторождению, во-первых, необходимо иметь полное представление о литологической структуре горных пород конкретных участков и, во-вторых, о физико-механических, особенно, прочностных свойствах. Если последние вообще не известны, то их следует экспериментальным путем изучить и получить их числовые величины. Только после этого, сравнивая расчетные значения горного давления при глубинах 1000-5000 м, приведенные в таблице 1, с прочностными свойствами пород на тех же глубинах можно прогнозировать: возможно ли бурение в изученных породах глубоких скважин и проведение различных выработок?

Таким образом, по данным таблицы 1 видно, что при глубинах более 2000 м, чтобы выдерживать горное давление, превышающее 100 МПа, вмещающее глубокие скважины и глубоко заложенные выработки породы, должны иметь прочности в пределах 106-275 МПа. Естественно, имеющие малые прочности на сжатие, растяжение и сдвиг породы: аргиллиты; алевролиты; некоторые пористые непрочные песчаники и другие слабые породы будут затруднять глубокое бурение и осложнять охрану глубокозаложенной выработки.

Процесс разрушения горных пород вблизи одиночных горных выработок изучен в работах [2,3,4]. Из этих работ Кирничанский Г.Т. [5] приводит отмеченную «аналогию между процессами разрушения горных пород при нагружении сплошных образцов, образцов с отверстиями и характером трещинообразования вблизи горных выработок». Аналогия проявляется в том, что трещины при сжатии распространяются параллельно активному главному напряжению и перпендикулярно направлению наименьшего сжатия, в частности вблизи выработок – по поверхностям, касательным к поверхности цилиндра, с образованием «ложного контура».

В природе известны весьма прочные породы: граниты; лабрадориты; гнейсы; конгломераты; разновидности известняка, имеющие прочность _сж в пределах 80-200 МПа, а также некоторые прочноцементированные песчаники, подобные джезказганским с _сж в пределах 90-200 МПа. Проведенные выработки и скважины в таких однородных прочных породах на большой глубине, естественно, будут устойчивы. Однако естественные неоднородности, слоистости, неблагоприятные для устойчивости выработок сочетания разновидностей пород, трещиноватости и влияющие масштабные факторы – все эти особенности будут осложнять решение горно-технических задач по разработке месторождений глубоких горизонтов.

Например, расчеты прочности песчаников Карагандинского угольного бассейна на глубине 3000 и 5000 м соответственно дают 104 и 112 МПа, а по таблице 1 породы на таких глубинах находятся под действием напряжений в пределах 159-275 МПа. Из этого вытекает, что выработки, проведенные в песчаниках Карагандинского бассейна, при глубинах 3000-5000 м, даже при сохранении в них полученной закономерности изменения прочности с глубиной, будут неустойчивы, и устойчивость их весьма будет зависеть от надежности крепления.

Недостаточность данных о физико-механических свойствах, в особенности, о прочностных свойствах горных пород нефтеносных пластов глубокого залегания Прикаспия, Мангышлака и других месторождений затрудняет решение горно-технических задач по эффективной добыче нефти.

Литература

1. Космодамианский А.С. О напряженном состоянии упругого изотропного массива, в котором пройдены выработки круглого сечения. Л., Труды ВНИМИ, сборник XLII, 1961, 20-31 с.

2. Шемякин Е.И., Фисенко Г.П., Курленя М.В. и др. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок. Ч.1. Данные натурных наблюдений // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 1986. - № 3 – с. 3-15.

3. Шемякин Е.И., Фисенко Г.П., Курленя М.В. и др. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок. Ч.2. Разрушение горных пород на моделях из эквивалентных материалов.// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 1986. - № 4 – с. 3-13.

4. Шемякин Е.И., Фисенко Г.П., Курленя М.В. и др. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок. Ч.3. Теоретические представления. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 1986. - № 1. – с. 3-8.

5. Кирничанский Г.Т. Элементы теории деформирования и разрушения горных пород / АН УССР. Ин-т геотехнической механики. – Киев: Наук. думка, 1989. – 184 с.