Самонапряженное состояние горных пород

московский 

Г0С9ДПРСТВЕННЫЙ 

ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

РЕДАКЦИОННЫЙ 
1 
ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО 

С 
0 в 

ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

Председатель 

Л.А. 
ПУЧКОВ 
ректор 
МГГУ, 
чл. -корр. 
РАН 

Зам. председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 
директор 
Издательства 
МГГУ 

Члены редсовета 

И.В.ДЕМЕНТЬЕВ 
академик 
РАЕН 

А.П. ДМИТРИЕВ 
академик 
РАЕН 

Б.А. КАРТОЗИЯ 
академик 
РАЕН 

М.В. КУРЛЕНЯ 
академик 
РАН 

В.И. ОСИПОВ 
академик 
РАН 

Э.М. СОКОЛОВ 
академик 
МАН 
ВШ 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 
академик 
РАН 

В.В. ХРОНИН 
профессор 

В.А. ЧАНТУРИЯ 
академик 
РАН 

ЕЖ ШЕМЯКИН 
академик 
РАН 

s 

I 

МГГУ 
А . И . МОРОЗ 

Л 

САМОНАПРЯЖЕННОЕ 
СОСТОЯНИЕ 
ГОРНЫХ ПОРОД 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

г о о 4 

УДК 622.023.23, 622.831 
ББК 30.121 
М 80 

Книга соответствует 
"Гигиеническим требованиям к изданиям книжным 
для взрослых. СанПиН 1.2.1253-3", утвержденным Гпавным 
государственным 
санитарным врачом России 30 марта 2003 г. 

Мороз А.И. 

М 80 
Самонапряженное состояние горных пород. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2004. - 288 с : ил. 

ISBN 5-7418-0330-Х 

Приведены результаты исследований закономерностей возникновения 
и развития самонапряженного состояния в условиях разгрузки в массиве 
горных пород и конструкциях подземных сооружений. 

Обобщены и проанализированы современные представления о начальном напряженном состоянии горной породы и его изменении после снятия 
природных давлений. Рассмотрены различные схемы образования неоднородного напряженного состояния в горных породах как причины появления самонапряженного состояния в цикле разгрузки. 

Изложен подход для анализа напряженно-деформированного состояния 
осадочной (обломочной) горной породы с эпигенетической цементацией, 
объясняющий возникновение самонапряженного состояния при разгрузке, 
с учетом истории формирования ее н.д.с. Значительная часть книги посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния горной породы в цикле разгрузки на основе механических моделей. 

Для широкого круга специалистов, занимающихся исследованием вопросов геомеханики, проектированием и строительством подземных сооружений. Может представлять интерес для преподавателей и студентов 
технических вузов специальностей геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика, геотехнология 
(подземная, открытая и строительная). 

Табл. 8, ил. 122, список лит. - 133 назв. 

УДК 622.023.23, 622.831 
ББК 30.121 

ISBN 5-7418-0330-Х 
© А.И. Мороз, 2004 
© Издательство МГГУ, 2004 
© Дизайн книги. Издательство 
МГГУ, 2004 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Объем строительства подземных сооружений в России 
составляет несколько тысяч километров в год, в том числе на шахтах только одного Кузнецкого бассейна в 2000 г. было пройдено 
более 450 км горно-промышленных выработок. 

Освоение подземного пространства, связанное с ростом добычи 
полезных ископаемых, развитием инфраструктуры больших городов, 
строительством гидротехнических выработок, объектов специального 
назначения продолжает сталкиваться с многочисленными проблемами (безопасности, экологическими, совершенствования технологии 
проходки и крепления и т.д.), требующими своего решения. 

Одной из наиболее сложных проблем геомеханики 
является 
полнота и достоверность описания механических свойств вмещающего массива горных пород, влияющих при строительстве подземных сооружений на выбор и разработку новых, высокотехнологичных видов крепления. 

При традиционном подходе к оценке прочностных и деформационных свойств породного массива по результатам 
испытания 
извлеченных из него образцов горной породы считается, что они 
находятся в ненапряженном состоянии, и предполагается неизменность этих свойств до начала испытания образцов и адекватность 
их свойствам in situ. Вместе с тем известны многочисленные случаи уменьшения прочностных свойств образцов породы во времени 
после изъятия их из природного массива. 

В лабораторных условиях (на одноосное сжатие, сложное напряженное состояние) исследователи получают эмпирические данные о свойствах образцов, не учитывая, что в процессе разгрузки 
их прочностные и деформационные свойства могут претерпеть необратимые изменения. Это обстоятельство может привести при 
таких исследованиях к ошибочным выводам о фактических механических свойствах породного массива. 

Одна из главных причин снижения прочности горной породы в 
условиях разгрузки связана с природным процессом формирования 
ее напряженно-деформированного состояния под действием сил 
гравитации (генезисом), который сопровождается 
образованием 

5 

двух основных подструктур (элементов породы), являющихся носителями своих механических совмещенных полей 
напряжений, 
сумма которых равна начальным напряжениям. Образованные в 
горных породах разнородные механические поля напряжений являются причиной возникновения внутренних напряжений разной 
полярности в условиях разгрузки, что наблюдается при проходке 
выработок и строительстве подземных сооружений. 

При разгрузке осадочной породы в результате воздействия упругой энергии ее активной подструктуры (сжимающих напряжений) на консервативную подструктуру в последней возникают растягивающие напряжения (образуется поле противоположной полярности по отношению к начальному), которые и являются источником снижения прочностных и деформационных свойств породы. 
Такое состояние, характеризуемое как сжимающими, так и растягивающими напряжениями, называется самонапряженным. 

Идея возникновения самонапряженного состояния при разгрузке осадочной горной породы принадлежит советскому ученому 
Л.Н. Репникову (1963 г.). Это предложение, по ряду причин, в том 
числе и субъективных, остававшееся вне поля зрения исследователей, по существу явилось продолжением подхода Н.М. Герсеванова 
о двух системах напряжений в грунтовой массе, представляющего 
в основных чертах только первую стадию формирования напряженно-деформированного состояния осадочной горной породы до 
второй стадии - превращения заполнителя в связующий цемент. 

Дальнейшие исследования показали, что процессы образования 
разнополярных напряжений происходят и в конструкциях подземных сооружений, состоящих из элементов с различными деформационными свойствами. Возникающие растягивающие напряжения 
при разгрузке в одном из элементов обделки являются потенциальным источником образования дефектов в последующий 
период 
эксплуатации сооружения. 

Таким образом, установление закономерностей возникновения и 
развития самонапряженного состояния в условиях разгрузки в массиве горных пород и конструкциях подземных сооружений может 
внести значительный вклад в развитие представлений о природе 
геомеханических процессов при обосновании расчетных схем и 
строительстве подземных сооружений. 

6 

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ 
ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ИЗМЕНЕНИИ 
НАЧАЛЬНОГО НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ 
ПОРОДНОГО МАССИВА 
ПРИ УМЕНЬШЕНИИ ВНЕШНИХ 
НАГРУЗОК 

1.1. НАЧАЛЬНОЕ Н А П Р Я Ж Е Н Н О Е С О С Т О Я Н И Е 

П О Р О Д Н О Г О МАССИВА ПРИ Р Е Ш Е Н И И 

ЗАДАЧ ГОРНОЙ ТЕМАТИКИ 

Среди приоритетных направлений исследований в области современной геомеханики - науки о формировании напряженно-деформированного состояния (н.д.с.) и «деформациях 
горных пород, движениях 
в них жидкости 
и газа и силах, 
вызывающих 
эти движения 
и деформации-», 
устойчивости горных выработок находятся изучение и прогноз развития деформационных процессов и явлений, возникающих в породном массиве при освоении 
подземного пространства [23]. Реализация указанных исследований 
возможна при обосновании и выборе систем и порядка ведения 
подземных работ, способов управления горным давлением и параметров технологических процессов, при которых деформации в 
толще горных пород и на поверхности будут находиться в заданных пределах. 

Повышение достоверности прогноза процессов и явлений, связанных со строительством подземных сооружений, может быть 
достигнуто с помощью описания в численных критериях параметров первоначального (природного) напряженного состояния 
породного массива. 

Описание процессов изменения начального напряженного состояния вмещающего массива горных пород продолжает оставаться одной из наиболее сложных и актуальных научных проблем 
гсомехаиики, включающих две относительно самостоятельные за
7 

дачи. Первая - оценка естественного состояния по многим параметрам, в том числе с точки зрения сложившегося на протяжении 
геологических эпох н.д.с. до начала техногенных воздействий (разгрузки). Вторая - оценка влияния техногенных воздействий на изменение природного «фона» напряженно-деформированного 
состояния породного массива. Важность решения задачи исчерпывающего описания н.д.с. массива очевидна. Для того, чтобы решить вторую задачу, необходимо в полном объеме предмета провести исследования породного массива и составить паспорта состояния массива. 

Исследования, относящиеся к изучению процессов формирования природного напряженного состояния с точки зрения влияния 
на результирующее н.д.с, которое будет образовываться при разгрузке породного массива, можно представить двумя основными 
блоками. 

Подавляющее число работ, посвященных описанию начального 
напряженного состояния породного массива, можно отнести к первому блоку. Особенность этих исследований состоит в том, что горная порода рассматривается как инертная к «природной технологии» 
среда, формируемая под действием сил гравитации по всей траектории его нагружения, в которой на какой-либо стадии нагружения 
исключается образование областей материала с другим напряженным состоянием. В случае снятия сил гравитации в массиве напряженное состояние характеризуется отсутствием напряжений, т.е. 
разгруженная порода приходит в ненапряженное состояние. 

Отличительной чертой подходов второго блока является стремление некоторых авторов с разных точек зрения [21, 27, 70, 120] 
отразить и учесть одну и ту же особенность «природной технологии» - специфику формирования в разных формах совмещенных 
или локальных (разобщенных) неоднородных полей напряжения в 
горной породе как в одно- или двухфазной средах. В случае разгрузки в породе с разнородными полями (подструктурами) возникают внутренние напряжения разной полярности, и она переходит 
в самонапряженное состояние, что является принципиальным отличием от подходов первого блока. 

В настоящей работе под начальным напряженным состоянием, 
изучаемым в работах обоих блоков, подразумевается 
состояние 

8 

массива до начала всякого рода воздействия техногенного характера, 
т.е. это результирующий продукт природы на момент начала разгрузки. Материалы по оценке начального напряженного состояния 
являются базой для разработки решений, связанных с проектированием подземных объектов и, что, очевидно, основой мониторинга 
состояния породного массива в последующий период времени. 

В общем случае под напряженным состоянием какого-то объема 
среды подразумевают распределение внутренних напряжений по 
указанному объему от действия внешних сил (если не уточняется, о 
каких напряжениях идет речь), т.е. напряжения являются функцией 
координат. По своему содержанию они представляют предел приращения усилия к соответствующему приращению площади поверхности, когда приращение площади стремится к размерам элементарной площадки [8, 55, 74]. Из этого определения следует, что 
указанное распределение напряжений будет носить сугубо вероятностный характер (напряжения в каждой точке являются случайной 
величиной), когда имеют в виду распределение напряжений по какой-то поверхности, и только в случае интегральной оценки напряженного состояния породного массива под напряжением понимают некоторую усредненность усилий, отнесенных к соответствующей площади. Особенность такого подхода состоит в том, что 
операция оценки носит формальный (механический) характер. Она 
не учитывает массу важных факторов (историю 
формирования 
массива, физико-механические свойства горной породы с описанием их возможной динамики на протяжении предшествующих геологических эпох и т.д.). 

При оперировании понятием «напряжения» а следует отметить 
некоторые известные в механике положения. Например, не существует прямого метода определения напряжений в точке (размерности: бар, МПа). О величине напряжений судят по косвенным 
признакам, которые оказываются доступными для измерений 
точнее для инструментального измерения их приращений. 

Для того чтобы рассматриваемый вопрос носил конкретный характер, уместно привести некоторые известные из механики сплошной среды понятия. 

1. При описании напряженного состояния в точке или элементе 
горной породы бесконечно малых размеров обычно из массива 

9 

мысленно 
вырезается 
элементарный кубик с 
единичными 
размерами, к каждой грани которого приложено 
некоторое 
напряжение, 
которое 
для 
удобства 
раскладывают 
на 
три 
компонента [8, 11, 38, 
32, 55, 74 и др.]. Один 
компонент 
действует 
перпендикулярно к грани, два другие составляющие, 
лежащие 
в 
плоскости 
площадки, 
параллельны 
соответствующим координатным осям. Если систему координат ориентировать так, что ось z совпадает с вертикалью, а оси х и у являются 
координатами элемента в горизонтальной плоскости, тогда схема 
напряжений, действующих 
на этот элементарный 
кубик, будет 
иметь вид, представленный на рис. 1.1. 

Следует отметить, что в большинстве работ, посвященных описанию природного напряженного состояния, принято считать оси х, 

у, z главными, причем ось z ориентирована вертикально. Символ а 
означает нормальное к площадке напряжение. Символ т означает, 
что рассматриваемое напряжение является касательным. Всего в 
общем случае имеется три нормальных компонента и шесть касательных, но в силу закона парности касательных напряжений число 
их компонентов сокращается до трех. 

2. Совокупность всех компонентов напряжений, которой определяется объемное напряженное состояние среды в точке, называется тензором напряжения и записывается в виде 

а. 

а , 

V 
(1.1) 

и 

Породный массив 

' : ' . ! 
1 
:-:*•" , 1 

" • Ы 
х,. 

а, 1 
- - 0 
,т 
т., 

Рис. 1.1. Распределение нормальных и касательных напряжений в элементе горной породы 

10