Среди экспериментальных методов исследования напряжений одно из ведущих мест занимает поляризационно-оптический метод. При помощи этого метода на моделях из оптически чувствительных материалов решаются задачи о распределении напряжений в элементах различных инженерных сооружений при их упругом и упруго-пластичном деформировании.

Исследования напряжённо-деформированного состояния массива горных пород, вмещающего выработки, основывается на применении теории упругости [1]. Сущность применяемой теории сводится к установлению прямолинейной зависимости между деформациями и напряжениями в идеализированном упругом массиве.

Цель исследований заключалась в определении исходной качественной картины распределения напряжений, при которой следует ожидать сравнительно меньших отрицательных проявлений горного давления в боковых породах нижней части лавы крутого пласта.

Считается [2], что в реальных пластах и горных породах, концентрация напряжений приводит к пластическим деформациям. При использовании оптического метода в изучаемых моделях допускалось следующее условие: разгрузка осадочного массива происходит с течением времени в местах концентрации сжимающих и растягивающих напряжений.

Для решения экспериментальной задачи была использована экспериментальная установка ППУ-4, при моделировании на которой использовали известный способ сопоставления цветов и полос распределения касательных напряжений [3]. Всего было отработано 24 модели, размером 0,3 х 0,3 м, толщина которых составляла 25 мм, а напряженное состояние создавалось пригрузом, позволяющим моделировать глубину разработки, соответствующую 750 м, 1000 м, 1200 м и 1500 м. Мощность угольного пласта m = 1 м, угол падения 60°, породы непосредственной кровли и почвы были представлены глинистым сланцем мощностью 4 м, основной – песчанистым сланцем.

Модель была изготовлена из игдантина (состав материала: глицерин – 30 %, хилатин – 25 %, вода – 45 %). Распределение напряжений изучалось в нижней части лавы крутого пласта с подготовительной выработкой арочной формы (высота 4 м, ширина 4 м) пройденной по пласту. Критерии подобия были определены в соответствии с методикой [4]. Линейный масштаб моделирования 1:100.

При проведении исследований придерживались основного положения о том, что оптический метод позволяет установить исходную картину распределения касательных напряжений в упругой среде (в окрестности горной выработки), которая формируется во вмещающих породах лишь в первый период времени после выемки угля.

В результате проведённых исследований в изучаемых моделях наблюдалась сложная картина распределения касательных напряжений в массиве пород. Анализ картин распределения касательных напряжений показывает, что их наибольший уровень сконцентрирован, в породах кровли и почвы разрабатываемого пласта и в подошве штрека. Увеличение глубины разработки с 750 м до 1500 м способствует перераспределению касательных напряжений не только в породах кровли и почвы, но и в окрестности поддерживаемой подготовительной выработки.

На рис. 1 представлены траектории главных касательных напряжений в модели, когда в нижней части лавы отсутствует опора – средство охраны. Для условий, в которых находится выработка (моделируемая глубина 1200 м), максимальная концентрация напряжений имеет место в местах существенного изгиба кровли и почвы. Такое положение определяется конвергенцией боковых пород из-за отсутствия их опоры. Отмечено так же значительное уменьшение поперечного сечения штрека.

В случае, когда над штреком в качестве опоры для пород кровли используют органный ряд, картина распределения касательных напряжений несколько изменяется. Но и в этом случае отмечено уменьшение сечения выработки, конвергенция боковых пород и максимальная концентрация касательных напряжений не только в породах кровли и почвы, но и в подошве штрека.

На рис. 2 представлены траектории главных касательных напряжений в модели, когда в качестве опоры используется податливая конструкция ограниченных размеров, например, накатные костры. Здесь концентрация напряжений несколько иная: в качестве концентратора выступает ограниченных размеров податливая конструкция, исчерпывающая возможность сжиматься. Происходит конвергенция боковых пород и уменьшение сечения штрека.

При размещении над штреком, в нижней части лавы со стороны выработанного пространства, широкой податливой опоры (рис. 3) в массиве имеет место наиболее благоприятная картина касательных напряжений. В рассматриваемых случаях потери сечения штрека минимальны. Изменения траекторий главных касательных напряжений происходит в результате усадки податливой опоры.

В результате проведённых исследований в изучаемых моделях наблюдалась сложная картина распределения касательных напряжений в массиве пород. Установлено, что без эффективного поддержания нависающей толщи, геомеханическая обстановка в нижней части лавы резко ухудшается. Так, на глубине 1200 м., во всех случаях, имеет место более высокая концентрация напряжений в боковых породах и подошве штрека, на контуре выработки, в месте изгиба пород кровли и почвы.

Рис. 1 – Распределение касательных напряжений (Н=1200м) при отсутствии
над штреком средств охраны

Рис. 2 – Распределение касательных напряжений (Н=1200м) при возведении
над штреком податливой конструкции ограниченных размеров

Рис. 3 – Распределение касательных напряжений (Н=1200м) при возведении
над штреком широкой податливой опоры

Таким образом, изменение геометрических параметров обнажений боковых пород существенно снижает степень вредного влияния в них касательных напряжений. Наиболее благоприятная геомеханическая обстановка в нижней части лавы отмечается при наличии в выработанном пространстве широкой, податливой опоры с конечной величиной усадки. Общий характер распределения касательных напряжений в массиве пород определяется усадкой опоры. Однако степень поддержания боковых пород такими опорами недостаточна для восстановления первичного напряжённого состояния, в результате чего и происходит перераспределение напряжений.

Проведённый комплекс исследований позволяет считать, что при прочих равных условиях вероятность появления расслоения и обрушений боковых пород, будет всегда большей при отсутствии в выработанном пространстве широкой податливой опоры. Природа улучшения состояния пород кровли и почвы, в этом случае, заключается в характере их взаимодействие с опорой. Причём усадка последней, определяет величину деформаций боковых пород, которая может не выходить за пределы допустимых значений.

Список использованной литературы

1. Хаимова-Малькова Р.И. Методика исследования напряжений поляризационно–оптическим методом. – М.:Недра, 1970 – 194 с.
2. Диманштейн А.С. Механизм взаимодействия пород вокруг повторно используемых дополнительных выработок с охранными сооружениями // Сб. Способы и средства управления состоянием массива. – М.:ИГД Скочинского, 1987. – 71 с.
3. Методические указания по изготовлению моделей из оптически чувствительных материалов для исследования проявлений горного давления. – Л.:ВНИМИ, 1970. – 180 с.
4. Матвеев Б.В., Михеева М.М., Карташов Ю.М. Методические указания по лабораторным испытаниям деформированности горных пород. – Л.:ВНИМИ, 1967. – 78с.