Естественное напряженное состояние горных пород и его изменение вблизи горных выработок

Горные породы, залегающие в земной коре, подвергались в течение геологического времени и подвергаются в настоящее время действию силы тяжести, внутриземных сил, притяжению Солнца, Луны и планет, физико-химическим превращениям. Под действием этих факторов в горных породах создалось напряженное состояние, которое будем называть естественным напряженным состоянием горной породы. При искусственном воздействии на горные породы путем выработок в них проявляется эффект естественного напряженного состояния пород или горного давления.

Рассматривая естественное напряженное состояние пород, следует различать вертикальную компоненту горного давления и горизонтальную . Вертикальную компоненту горного давления называют также полным горным давлением и обозначают , а горизонтальную компоненту — боковым горным давлением и обозначают .

Естественное напряженное состояние горных пород можно определять косвенными методами, например, по данным о распространении волн напряжений в породах, используя зависимость плотности пород и их модуля упругости от сжимающего напряжения. К прямым методам определения горного давления можно, с некоторым допущением, отнести измерение горного давления в горных выработках (скважинах, стволах шахт, штреках и т. д.) с последующим расчетом напряженного состояния пород вдали от выработок по соответствующим формулам теории упругости, пластичности и т. д. Можно получать сведения о естественном напряженном состоянии пород, используя данные гидравлического разрыва пласта. Имеющиеся в настоящее время данные, полученные различными методами, свидетельствуют о том, что для определения вертикальной компоненты горного давления в не насыщенных жидкостью или газом горных породах можно использовать формулу

(6.1)

где – осредненная плотность горных пород в интервале от до ( - вертикальная координата, при чем на дневной поверхности);

– ускорение свободного падения.

Считается, что горизонтальную компоненту естественного напряженного состояния не насыщенных жидкостью или газом горных пород можно определить по формуле

Коэффициент определяется существующими в настоящее время методами весьма приближенно. Считается, что наиболее вероятные значения для хрупких горных пород заключены в пределах 0,3 - 0,7. Для малопрочных, текучих горных пород . Объясняется это тем, что релаксация напряжений в твердых, хрупких горных породах либо не происходит вовсе, либо происходит чрезвычайно медленно, так что даже за геологические периоды, длившиеся десятками и сотнями миллионов лет, разность между вертикальным и боковым горным давлением сохраняется.

Если горные породы упругие и в пластах отсутствовали значительные тектонические движения, особенно в горизонтальном направлении, то ( — коэффициент Пуассона). У малопрочных пород время релаксации достаточно мало по сравнению с периодами существования геологических структур, и вследствие текучести пород, хотя и медленной, разность между боковым и вертикальным горным давлением могла практически исчезнуть. В вязкой жидкости, согласно закону Паскаля, давление, действующее на элементарный объем жидкости в вертикальном направлении, равно давлению жидкости, действующему на этот объем в горизонтальном направлении.

Выше речь шла о напряженном состоянии пород, которые еще не подверглись искусственному воздействию. При проведении горных выработок напряженное состояние, по крайней мере вблизи выработок, существенным образом изменяется.

Важной задачей в горном деле является обеспечение устойчивости горных сооружений, поэтому необходимо знать деформацию пород при строительстве и эксплуатации горных выработок, а также возникающие при этом напряжения, с тем, чтобы можно было правильно проектировать горные сооружения. Стволы шахт и нефтяные скважины являются основными горными сооружениями, имеющими первостепенное значение для добычи полезных ископаемых.