Горное давление

До проходки горной выработки породы в массиве находятся в состоянии напряженного равновесия. При этом существующее напряжение является, прежде всего, результатом действия веса вышележащих слоев пород, а также следствием тектонических напряжений, развивавшихся ранее или возникающих теперь в результате новейших движений в земной коре.

Проходка тоннеля нарушает состояние естественного равновесия горных пород и приводит к перераспределению напряжений. Вследствие этого в ряде случаев происходит разрушение горных пород, появляются трещины, выпадают куски, возникает подвижка прилегающих к тоннелю масс пород в сторону выработанного пространства и другие подобные явления. В таких случаях для предохранения выработки от обрушения и завалов она должна быть закреплена. При горных способах производства горнопроходческих работ выработка закрепляется временной крепью, заменяемой в дальнейшем постоянной обделкой.

Нагрузка, создаваемая давлением горных пород на крепь или облицовку, представляет собой горное давление. Оно развивается при некоторой деформации крепления (практически происходящей при всех видах крепления) и связанной с этим деформацией пород в сторону выработанного пространства.

Горное давление чаще и больше всего проявляется в кровле (своде, потолке) выработки и развивается практически во всех породах, от самых прочных и устойчивых до самых слабых и неустойчивых. В слабых и неустойчивых породах кроме сводового давления развивается еще и боковое, по величине обычно меньшее, чем сводовое.

Горное давление в подошве, направленное снизу вверх, наблюдается реже и характерно для пластических пород и большой глубины заложения выработки.

Как показывают специально выполненные наблюдения, горное давление во многих породах в зависимости от способа проходки тоннеля увеличивается во времени. При этом в первое время после раскрытия выработки горное давление развивается более интенсивно, чем в последующее.

Величина горного давления зависит от физико-механических свойств горных пород и условий их залегания, размеров и формы поперечного сечения тоннеля, способов производства горнопроходческих работ и метода крепления, конструкции тоннельной обделки и некоторых других факторов.

В прочных скальных породах горное давление развивается наиболее интенсивно в зонах нарушения и дробления, в зонах повышенной трещиноватости, в районах сбросов, сдвигов и других тектонических нарушений, где наблюдается ослабление прочности и устойчивости пород.

В таких породах, как глины, мергели, сланцы, способных к развитию пластических деформаций, горное давление бывает весьма высоким и проявляется не только в вертикальном давлении в кровле выработки, но и в боковом давлении на стены, иногда и в вертикальном давлении на подошву выработки. Кроме того, для многих пород этого типа характерно быстрое изменение свойств при соприкосновении с воздухом. Процессы подземного выветривания приводят к тому, что первоначально крепкие и устойчивые глины или сланцы начинают растрескиваться и осыпаться, а первоначально небольшое горное давление начинает постепенно повышаться, Другие породы под влиянием снятия давления при вскрытии выработки и при поступлении к ним воды начинают пучиться, что также приводит к росту горного давления.

В сыпучих породах развивается высокое горное давление, которое может резко увеличиваться при высыпании или высачивании песка из-за обделки тоннеля. Происходящее разрыхление песка при его выносе из-за крепления также увеличивает горное давление, поэтому в сыпучих породах требуется особенно тщательно крепить выработку и недопускать передвижения песков. В связи с этим при проходке песчаных грунтов в ряде случаев приходится применять специальные виды крепления горной выработки или искусственное закрепление песков.

Наиболее неблагоприятными породами для сооружения в них тоннелей являются водонасыщенные пески-плывуны. В таких песках горное давление бывает особенно велико, а устойчивость их ничтожно мала, что требует применения мощного крепления и специальных методов проходки.

Величина горного давления зависит от размеров поперечного сечения выработки. В одних и тех же геологических условиях, чем больше сечение, тем выше горное давление. Форма сечения также влияет на величину горного давления. Так, при прямолинейном очертании выработки горное давление будет выше, чем при сводчатом или криволинейном ее очертании.

Продолжительность периода времени между вскрытием породы горной выработкой и установкой в ней постоянного крепления сказывается на величине горного давления. Так, чем быстрее будет установлена обделка тоннеля, тем при прочих равных условиях горное давление будет меньше.

Жесткость крепления также влияет на изменение горного давления. Если крепление податливое, то горное давление может расти и после установки крепи, если же оно жесткое, то увеличение горного давления будет незначительным.

Горное давление является основной и часто решающей нагрузкой на обделку и временное крепление горных выработок и подземных сооружений, поэтому достаточно точное его определение необходимо для правильного проектирования тоннельных облицовок и способов крепления.

Большое число факторов, влияющих на развитие горного давления и его величину, сильно усложняет и затрудняет его определение и заставляет прибегать к разным методам, среди которых основными являются: аналитические методы, лабораторные испытания на моделях и натурные полевые измерения.