Источник: http://www.cdc.gov/niosh/mining/pubs/pdfs/smfmi.pdf
Два вида трещин, образованных вследствие ведения горных работ и обнаруженные в местах добычи руды, послужили поводом для вывода, что зоны разломов и разломы плоскости залегания, непосредственно возле шахт, ускоряются наклонным отверстием прохода. Высказано предположение, что первоначальные трещины или разломы с угла отверстия, являются результатом высокого напряжения и физического стеснения породы, что препятствовало ее эластическому изменению по направлению к отверстию. Эти условия приводят к локально предпочтительному направлению сдвига. Сдвиг, в свою очередь, порождает напряжение, что инициирует последовательность смещений разломов примерно параллельно направлению наибольшего сжимающего напряжения. Разломы или разъединения пластов создают слоистые шары породы, которые усиливают сдвигающее перемещение путем сгибания и растяжения. Такой сдвиг эффективно снижает и перераспределяет сжимающее напряжение, но значительное расширение является неизбежным последствием. Сочетание расширения и сдвига и прогрессивного развития разломов имеет важные последствия в отношении земной опоры.
Хотя, вызванные горным делом, разломы хорошо известны в угольных шахтах, где они связаны с развитием углублений и ненадежностью опор, все также существует нехватка информации в исследовании таких зон. Классическое объяснение природы таких разломов — это то, что они являются результатом механического напряжения. На пример, было предложено, что давление постепенно соединяет вместе микротрещины, пока они не становятся целым разломом, или распространяются дальше, поскольку давление вызывает напряженность в их передних краях. Два примера разломов, вызванных горными работами, которые наблюдаются в шахтах твердых ископаемых, послужили основой для предположения, что на самом деле эти разломы образовались в результате деформации сдвига, развившегося как смещение породы по направлению к горным выработкам.
Пример: горный взрыв, который произошел на месте добычи серебра в Айдахо, развивался на передней поверхности места горных работ и привел к вертикальному погружению массивных кварцитовых пластов (рис. 1), вызывая впадины круглой формы в центре фронтовой поверхности. Исследование показало, что кварцит был тонко расщеплен по краям впадины (рис. 2), но большая часть расколотой породы, вытесненной из углубления была толще чем кварцит на краях впадины.
Рисунок 1. — Полость вызванная взрывом породы деформации во время горных работ в шахтах твердых пород.
Рисунок 2. — Край взрыва полости показано на рисунке.
Дальнейшая проверка стен не показала наличия расщепления. Таким образом, расщепление было ограничено краем углубления и явно видно из рисунка (рисунок 3А), что трещина распределение показала поразительное сходство с трещинами полученными в лабораторных испытаниях, это можно наблюдать на противоположных углах (рисунок 3В). Трещины лабораторных экземпляров также напоминали трещины в столбах (рисунок 3C)(1).
Рисунок 3. — Поперечные сечения зон перелома в различных параметрах . A, Поперечное сечение деформации показанный на рис.1 и рис. 2; B, испытательный экземпляр сжатия; C, по бокам стен; D, в случае внедрения в кровлю.
Другой пример был рассмотрен в шахте с хрупкими породами (рисунки 4А и 4В.)
Рисунок 4А. — Полость вызванная взрывом породы деформации во время горных работ в шахтах с хрупкими породами.
Рисунок 4В. — Зона трещин вдоль болта.
Также очевидно что вовлеченные трещины не непрерывны, но формируют зону систематического угaсания. Такие зоны трещин были обнаружены в глубоких шахтах Айдахо с твердыми горными породами.
Наблюдая за трещинами в зонах среза, можно сделать вывод, что срез эффективно уменьшал величину напряжения. Механика среза очевидно вовлекает изгиб пород (рисунок 5).
Рисунок 5. — Механика смещения вдоль переломов. A, без смещения и разрыва сплошности; B, со смещением и разрывом сплошности; C, зона трещин, "восстановленная" с воображаемой иглой и нитью. И стежки и слои находятся под напряжением, таким образом иллюстрируя происхождение напряжения растяжения, которое вызывает переломы.
Изгиб, в свою очередь, вызывает растяжение и как следствие каждый слой смещен далеко от своего основания. Следовательно, это может быть объяснено тем, что напряжение, которое вызывает переломы, уменьшено в за счет среза и растяжения, с чистым смещением, которое является наклонным к зоне перелома.
Общее объяснение происхождения разломов, вызванных горным делом, следующие:
Асимметричные упругие деформации проявляются около горных выработок;
Сдвиги вызывают диагональное напряжение, которое является причиной таких разломов;
Зона разломов вызывает ступенчатые разломы вдоль направления сдвига.
Так как убедительная демонстрация этого не была представлена и еще даже не была опубликована, это объяснение будет предлагаться в качестве гипотезы, хотя веские аргументы могут быть сделаны на основе таких гипотез.
Такое трактование разломов, вызванных горными работами, отличается от широко распространенного мнения о том, что такие разломы формируются параллельно направлению наибольшего напряжения, как результат только такого давления (рис 6А).
Рисунок 6. — Различные изображения образования трещин А, Традиционное мнение, что главные напряжения вызывают либо сопряженное ошибки или расширение разломов параллельно наибольшему главному напряжению (F1) только через сжимающее напряжение. Б, Альтернативная точка зрения, которая указана в этой работе, поясняет, что расширенные разломы, наиболее распространенные типы разломов при горном деле, наблюдаются в шахтах твердых пород, в результате упругого смещения, которое вызывает напряжение, приблизительно параллельно направлению наименьшего давления.
Объяснение, которое здесь отстаивается, заключается в том, что разломы вызывают сдвиги, которые наступают из–за деформации около отверстия шахты (рис. 6 Б). Сдвиг, в свою очередь, вызывает диагональное напряжение, приблизительно параллельное направлению наименьшего давления, и увеличения разломов.
Наблюдения, проведенные в шахтах твердых пород, были стимулом для развития гипотезы о происхождении разломов, вызванных горным делом, и зоне разломов как продукте упругих сдвиговых перемещений в сторону горных выработок. Предполагается, что это объяснение о происхождении разломов может иметь общее применение. Таким образом, уроки, проведенные в шахтах горных пород, также применимы к разломам и залеганиям пластов породы в угольных шахтах. Понимание механизмов образования и распространения разломов будет способствовать более эффективным методам ведения горного дела и методам наземного контроля.
Fairhurst, C., and N.G.W. Cook. 1966. The Phenomenon of Rock Splitting Parallel to the Direction of Maximum Compression in the Neighborhood of a Surface. In Proceedings of the First Congress of the International Society of Rock Mechanics (Lisbon, Portugal, Sept. 25–Oct. 1, 1966). V. 1, Nat. Lab. of Civil Eng., Lisbon, Portugal, pp. 687–692.
Gramberg, J. 1989. A Non–Conventional View of Rock Mechanics and Fracture Mechanics. Balkema, Rotterdam, pp 259.
Patterson, M.S., and L.E. Weiss. 1961. Experimental Deformation and Folding in Phyllite. Geol. Soc. Amer. Bull., v. 77, no. 4, pp 343–374.
Peng, S.S. 1978. Coal Mine Ground Control. John Wiley and Sons, New York, 450 pp.
Signer, S, and J. Lewis. 1998. A Case Study of Bolt Performance in a Two–Entry Gateroad. In Proceedings, 17th International Conference on Ground Control in Mining, ed. by S.S. Peng (Morgantown, WV, Aug. 4–6, 1998). WV University, Morgantown, WV, pp. 249–256.