Опорное горное давление

ОПОРНОЕ ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ (а. abutment pressure, bearing pressure, end pressure; н. Stutzdruck; ф. pression d'appui, pression de culce; и. presion de apoyo) — горное давление в массиве пород, возникающее в результате создания (или естественного образования) в нём полостей (различных выработок, расслоений и т.п.). Представляет собой нормальные к пласту сжимающие напряжения, действующие вблизи опорного контура (на массивы, целики полезных ископаемых, закладку, обрушенные породы и крепь) по всему его периметру (периметру обнажения). Возникает вследствие перераспределения напряжённого состояния горных пород при нарушении сплошности массива и создаётся совместным действием веса покрывающей породной толщи и суммой изгибающих моментов зависающих над выработанным пространством или другой полостью пород.

Особое значение вопросы проявления опорного горного давления приобрели с началом разработки залежей полезных ископаемых (также свит пластов) с применением длинных очистных забоев. Опорное горное давление стало оказывать значительное влияние на характер, эффективность управления кровлей очистных забоев, крепления очистных и подготовительных выработок, на первые обрушения пород основной кровли, отжим угля в очистных забоях, проявления внезапных выбросов и горных ударов, пучения пород и т.п., а также на производительность выемочного оборудования и др.

Проявления опорного горного давления и их изменения в пространстве и во времени представляют сложную картину. В распределении опорного горного давления выделяется ряд пространственных зон, которые для удобства рассматривают отдельно в плоскости пласта и в сечениях по простиранию и падению. Так, в первом случае при равномерном движении очистного забоя выделяют зоны опорного горного давления (рис. 1): переднюю, заднюю, боковую (по падению и восстанию).

Кроме того, по характеру изменений опорного горного давления различают зоны: динамического проявления опорного горного давления; затухания динамических проявлений опорного горного давления; статического или псевдостатического состояния опорного горного давления. Определённая дифференциация наблюдается и в пределах самих зон опорного горного давления. Так, в передней выделяются подзоны: пониженных напряжений, сравнимых с g_cpH (g_cp — средний удельный вес пород; Н — глубина заложения выработки); повышенных напряжений; вторая подзона пониженных напряжений; напряжений, близких к gcpH (рис. 2).

Распределение зон опорного горного давления в конкретных горно-геологических условиях зависит от глубины работ, процессов деформаций и разрушений не только непосредственной и основной кровель, но и всей вышележащей толщи, свойств пласта, пород почвы и др. Механизм образования опорного горного давления в отдельных зонах различен. Тогда как действие опорного горного давления в передней зоне обусловлено динамикой зависаний пород покрывающей толщи на больших площадях вблизи забоя, в боковых зонах при достаточном их удалении от забоя этот фактор отсутствует. Динамика опорного горного давления в передней зоне выражена наиболее чётко. При прочих равных условиях она зависит от устойчивости так называемых краевых зон (зон, примыкающих к контуру, отработанной площади и подверженных опорному горному давлению), определяемой соотношением интенсивности опорного горного давления, механической характеристикой пласта, условиями состояния контактных поверхностей, а также продолжительностью действия нагрузки (последняя определяется скоростью подвигания очистных работ). Подвигание очистного забоя вызывает перемещение и изменения всех зон опорного горного давления вблизи забоя, но на достаточном удалении от него остаются некоторые из них, сохраняющие относительно стабильное состояние длительный период. По мере увеличения пролёта зависающей толщи горных пород интенсивность опорного горного давления и, как правило, ширина его передней зоны возрастают, а его максимум всё более приближается к забою (краю массива, целика). По существу аналогичная картина наблюдается и при увеличении глубины разработки.

Интенсивность и характер распределения опорного горного давления сильно меняются по мере деформирования краевой зоны во времени вследствие ползучести, а также особенно вследствие её раздавливания. Последнее приводит к соответствующему увеличению пролёта пород кровли и, следовательно, к возрастанию интенсивности и ширины передней зоны опорного горного давления. При этом максимум опорного горного давления перемещается в направлении от забоя.

Параметры опорного горного давления не стабильны и по мере подвигания забоя изменяются в весьма значительных пределах. Так, ширина передней зоны опорного горного давления может быть от 20 до 250 м, а расстояние от забоя до максимума опорного горного давления — от 0 до 15 м и более. Ширина боковой зоны опорного горного давления (по падению и восстанию) изменяется от 15 до 30 м.

Систематические исследования по проблеме управления опорным горным давлением начались в 50-х гг. (в CCCP ВНИМИ, ИГД, МакНИИ, ЛГИ и др.). В результате определились пути управления опорным горным давлением: изменение характера и частоты трещин давления в непосредственной кровле, изменение прочностных свойств вмещающих пород и пород-мостов в покрывающей толще; изменение шагов обрушений основной кровли и пород-мостов; изменение углов наклона основной кровли; изменение деформируемости краевых зон; изменение реактивного сопротивления крепей, в том числе применение крепей активного действия; изменение длины очистного забоя. Для этих целей используются механические, взрывные, физико-химические и биохимические процессы. Важное место среди них занимают такие (механические) процессы, как однократные и многократные надработки и подработки пластов, бурение скважин (большого и малого диаметров) в краевые зоны, обеспечение регулярного отжима угля или его предотвращение и т.д.

Несмотря на сложившееся единство в понимании общих закономерностей развития опорного горного давления, сложность инструментальных исследований привела к возникновению противоречивых мнений по отдельным положениям этого явления. Так, некоторые исследователи высказывают сомнения по поводу существования опорного горного давления за пределами очистного пространства в зоне обрушенных пород или закладки. Среди сторонников теории плит (в горном давлении) бытует мнение, что опорное горное давление никогда не образуется, а породные слои подвергаются только изгибающим усилиям. См. также горное давление.