Напряженное состояние массива пород в окрестности выработки, пройденной в горном склоне тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ И МЕХАНИКИ ГОРНЫХ ПОРОД

Специализированный совет Д 05.94.09

Р Г Б ОД

, На правах рукописи

/-•:] 1334

ХОДОСЕВИЧ ГРИГОРИЙ БОРИСОВИЧ

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВА ПОРОД В ОКРЕСТНОСТИ ВЫРАБОТКИ, ПРОЙДЕННОЙ В ГОРНОМ СКЛОНЕ

Специальность 01.02.07 — «Механика сыпучих тел, грунтов и горных пород»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

БИШКЕК—1994

Работа выполнена в Институте физики н механики горных пород Национальной АН Кыргызской Республики.

Научные руководители: доктор технических наук, с. н. с.

Жумабаев Бейшенбек; доктор технических наук., с. н. с. Степанов Владимир Яковлевич.

Официальные оппоненты; доктор технических наук, доцент Абдылдаев Эркинбек К.ы-янович,

кандидат технических наук Таштаналиев Курам а Бейшеба-евич.

Ведущее предприятие: Институт механики и машиноведения HAH Казахской Республики.

Защита состоится 29 июня 1994 г. в 9 часов на заседании Специализированного совета Д. 05.94.09 в Институте физики и механики горных пород HAH Кыргызской Республики по адресу: 720815, г. Бишкек, ул. Медерова, 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан 29 мая 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета ■канд. техн. наук

Никольская О. В.

.ОНДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. . Освоение гидроэнергетических и минеральных ресурсов высокогорных районов Средней Азии требует проведения комплексных работ яо изучашш-физико-механических свойств лород, а таете геомэханяческих процессов, сопровождающих горные работы. При проходке капитальных и подготовительных выработок, строительстве гидротехнических и транспортных тоннелей, подъемных машинных залов ГЭС решающее значение имеет правильная оценка геомеханического состояния массива.и прогноз его изменения как в ходе работ, так и после их завершения. В работах, посвященных изучению напря-кенно-дефоршфованного состояния массивов пород, обычно пригашается, что земная;поверхность мало отличается ог горизонтальной. Государствэшые нормативные документы, регламентирующие проведение подземных выработок, также обычно не учитывают влияние формы земного рельефа на процессы горного производства. Полученные к настоящему времени данные теоретических и экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что в основаниях высоких склонов, под дном каньонов имеется концентрация напряжений, которую надлежит учитывать при расчете устойчивости подземных выработок.

Исследование влияния р&львфа земной поверхности «а распределение напряжений в окрестности горкой выработки имеет большое значение для повышения надежности подземных сооружений, возводимых в гористых местностях.

. Работа выполнена в соответствии с планами научных исследований Института физики и механики горных пород Национальной Академии наук Кыргызской Республики по теме "Исследование закономерностей формирования . напрякешю-деформированного состояния Массивов горных склонов под влиянием природных и техногенных факторов" (Н Гос. регистрации 0186.01221970, 1986-1990, план АН СССР по проблеме 3.1.13); " Исследование .'геомеханических процесг сов породных массивов при освоении рудных месторождений в горноскладчатых областях", раздел ".Создание численно-аналитических методов расчета напряженного состояния массивов пород в горных районах и прогноз проявлений горного давления" ( 1991-1993 гг.). и Информационного агентства Евразия-Ш) по теме: "Система сбора и обработки информации'о напряженно- деформированном состоянии верхней-, части земной коры"

Основной целью работы является установление . закономерностей переропределении напряжений в массиве пород, обусловленных проходкой подземной горной выработки в склоне (основании) глубокого каньону для рационального выбора места ее заложения.

Основная идея работы заключается.в установлении и использовании закономерностей напряженного состояния основанМ и бортов ганьоноз различной геометрической формы для прогнозирования перераспределения напряжений вблизи подземных горных выработок и рационального выбора места их заложения.

Задачидисследований:

- разработать аналитический метод расчета напряженного состояния массивов речных каньонов, позволяющий при минимальной информации о свойствах и строении массива пород, выполнить прогноз начального распределения напряжений с учетом форм речного каньона и сейсмотектонической активности горного региона;

- установить влияние' грунтовых плотин на лапряженно-деформировашюе состояние массивов пород речных каньонов;

- разработать методику расчета напряженного состояния массивов пород, учитывающую совместное влияние каньона, плотин ГЭС и сейсмотектоническую активность горного региона на распределение напряжений вокруг выработок;

- установить закономерности формирования и распределения полей напряженийс /есива пород речного каньона и выработок в районе возведения Кокомвренской и Памирской ГЭС.

Методы исследований включают в себя моделирование напряженного состояния горных пород на ЭВМ, полевые эксперименты по определению естественного поля напряжений , сопоставление результатов теоретических и натурных исследований, анализ и обобщение результатов аналитических, экспериментальных исследований и расчетов на ЭВМ полей напряжений массивов вокруг выработок, пройденных в склонах.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые получено аналитическое решение о распределении напряжений вблизи конкретной тоннельной выработки, пройденной в склцне; установлено влияние формы рельефа и места заложения выработки, пройденной "в основании глубокого каньона, на напряженное состояние в ее окрестности.. Построенная на основе результатов полевых экспериментов модель напряженно - деформированного состояния пород на участке .Кокомеренской ГЭС позволила установить закономерности перераспределения напряжений в окрестности ггЬдземньгх выработок, прой-

денных в склонах: после возведения плотины в кровле выработок исчезают растягивающие напряжения.

Научные положения, выносимые на'защиту: -закономерности перераспределения напряжений после проведения выработки в склоне или в основании каньона;

-методика рационального выбора места заложения подземной выемки относительно поверхности каньона, обеспечивающая снижешь опасных проявлений горного давления;

. -модель напряженного состояния массива скальных пород, слагающих долину р. Кокомерен в районе строительства ГЭС;

-закономерности перераспределения напряжений в окрестности выработки, пройденной в склоне, п^сле возведения высокой грунтовой плотины.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспе лвается их сходимостью с данными практики, строгостью используемого математического аппарата, сопостаг 'мостью с результатами' работ других авторов.

Личный вклад автора состоит в: Непосредственном участии в проведении натурных измерений напряжений и обобщении результатов измерений путем создания модели напряженного состояния массивов-пород в районе Кокомеренской ГЭС; разработке и создании аналитической модели напряженного состояния каньона с горной выработкой и плотиной; установлении закономерностей распределения напряжений в окрестности подземных выработок пш изменении формы каньонов и месторасположения выработок в условиях влияния плотины; внедрении результатов исследований при проектировании сооружений ГЭС и в учебном процессе; в теоретическом обобщении и обосновании защищаемых положений. , *

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методики и полученные данные позволяют прогнозировать результаты перераспределения : апряжений в склоне(основании каньона), обусловленного прохо;, сой выработки, и на их основе принимать рациочальные проектные решения. 4

Реализация работы. Осьовные положения работы' нашли отражение в техническом проекте Памирской ГЭС в части, относящейся к проходке деривационного тоннеля, и в проектном решении Кокомеренской ГЭС, а также в учебном процессе в Кыргызском архитактурно-строителыюм институте.

Апробация работы . Результаты, представленные в диссертации, доклндивалиеь на заседании* Учрншю Совета 'ИМШ1 НАН Кыргызской

Республики в 1985-1993 гг., на V Всесоюзном семинаре по.механике горных пород (Новосибирск, 1985), IX Всесоюзной конференции по механике горных пород (Фрунзе, 1989), на Региональном семинаре "Численные методы оценки устойчивости конструктивных элементов подземных сооружений" (Апатиты,1986), на XII Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления ■ и охране подготовительных выработок.(Алма-Ата,1990), на третьем Всесоюзном семинаре "Проблемы Разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья", (Бишкек - чолпон-Ата, 1991).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 статьях и 1 брошюре.

Структура и объем. Работе состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложения (документы о внедрении) на 1(6 страницах машинописного текста, в том числе 6 таблиц, 1о рисунков, список использованной литературы из 133 наименований.

Автор выражает признательность академику И.Т.Айтматову, докторам технических наук Б.Жумабаеву и В.Я.Степанову за постановку задачи и внимание к работе. •

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При анализе напряженного состояния массива горных пород рассматривают совокупность величин, каждая из которых есть"отношение величины силы, действующей на малой площадке, к ее размерам. Определение напряженного состояния состоит из экспериментальных исследований свойств горных пород, и последующей. математической обработки на основе тех или иных теоретических представлений. Методы определения различаются по объему используемых свойств пород и ' соответствующего количества натурных экспериментов. Следуя А.Гейму, для определения параметров напряженного состояния достаточно знать средний удельный вес вышележащи пород. По А.Н.даннику для достижения той же цели необходимо дополнительно определить коэффициент Пуассона. Для анизотропных пород привлекаются сведения об их характеристиках по различным направлениям. В работах С.Г.Михлина, Д.И.Шормана, Г.Н.Савина, С.Г.Лехницкого получены закономерности распределения Напряжений около одиночной выработки эллиптической или прямоугольной формы в зависимости от глубины, свойств пород. Использование, аппарата механики деформируемого твердого тела позволило- Ж.С.Ержанову, К.В.Руппенейту, Ю.М.Либерману, А.С.Кисмодамианскому, Л.В.Ершову,

Ш.М.Айталиеву, М.Т. Алимжанову, Ж.К.Масанову, И.В.Баклашову, Б.А.Картозии, В.Н.Попову.А.Г.Протосеве, Ю.Н.Серегину, Н.С.Булычеву, Н.Н.Фтгиевой, М.Ескалиеву, К.Б.Таштаналиеву и др. изучить деформирование и- разрушение пород в окрестности выработок различных форм. С начала 60-х годов в СССР, других странах начались широкомасштабные полевые эксперименты по определению естественного поля напряжений в верхней части земной коры. Использоваше методов разгрузки в различных вариантах, геофизических методов в работах М.Т.Айтматова, М.В.Курлени, С.Н.Попова, Н.П.Влоха,

B.С.Ямщикова, М.А.Турчанинова, Г.А.Маркова, К.Ч.Кожогулова,

C.А.Батугина, Н.Г.Ялымова, В.Я.Степанова, Н.Хаста, В.Нильсона, Ш.А.Мамбетова, А.А.Козырева, Т.М.Ермекова и др., 'Выполненных в различных регионах, показало, что напряженное состояние горных пород зависит не только от глубины, объемного веса, упругих характеристик, но и от генезиса пород, рельефа земной поверхности и, во многих случаях, от тектонической активности, обусловленной глубинными процессами. Методи разгрузки в различных вариантах, ультразвуковой каротаж или просвечивание, использованные в этих работах, существенно используют упругие свойства пород, прямо опираются на решения краевых задач для упруго-изотропных однородных сред.

В последнее время для определения напряжений в полевы,г условиях с успехом используется метод гидравлического разрыва. Этот метод менее трудоемок, чем методы разгрузки; получаемые на его основе результаты отличаются стабильностью и хорошим совпадением с данными, получаемыми другими методами. Метод гидроразрыва базируется на решении задачи Кирша о распределении напряжёний около круглого отверстия в однородно-изотропной упругой среде. Использование гидроразрыва для определения напряжений ограничивается в основном нетрещиноватыми или слабо трещиноватыми породами.

Натурные эксперимент позволяют определить напряженное состояние (НС) в отдельных точках массива, но требуют значительных-затрат. На стадии ""эхнико-экономического обоснования горнодобывающих предприятий, иных сооружений пр.1 оценке НС "нетронутого массива применяются аналитические или численные методы моделирования, использующие небольшой оВъем натурных экспериментов. В работах Р.В.Гольдштейна и Э.В.Калинина, 'А.Л.Гольдина, З.Г.Тер-Мартиросяна, Д.М.Ахпателова, Р.В.Манвеляна, В.Я.Степанова, Б.Жу-мабаева, Э.Работы, Ю.Немировского, А.А.Тырымова, С.Н.Савченко, В.К.Цветкова показана важная роль рельефа поверхности в 1$ормиро-

т

ваши поля напряжений в верхней части земной, корн. В ИФиМГП HAH Кыргызской Республики при участии автора настоящей работы предложен аналитический метод определения напряжений в массивах гористых местностей.

Эффективно использовали оптические методы моделирования напряженного состояния массивов Н.А.Филатов, Г.Л.Хесин, В.Х.Костин, В.Ф.Трумбачев, В.Д.Морозов, Н.К.Карагулов, А.М.Демин, Г.А.Катков и др.

При наличии детальной информации о физико-механических свойствах по$щ, результатов натурных экспериментов по определению естественного поля напряжений успешно применяется метод конечных элементов (МКЭ). Заметный вклад в развитие этого направления внесли О.Зенкевич, С.Б.Ухов, В.Я.Степанов, А.Б.Фадеев, О.Н.Золотое, С.В.Кузнецов, Э.К.Абдылдаев и др.

В качестве альтернативы методу конечных элементов применяют метод граничных элементов. А.М.Линьков и др. использовали МГИУ для исследования трещиновато-блочных-сред. Метод граничных элементов в некоторых отношениях эффективнее использует возможности ЭВМ и имеет благоприятные перспективы для большего распространения.

' 'Анализ современных представлений о распределении поля напряжений вблизи протяженной выработки показывает, что при определении напряжений ^существенным образом используются упругие свойства горных пород; недостаточно изучено влияние рельефа поверхности на напряженное состояние массива вблизи выработки. Определение напряжений в массивах гористых местностей целесообразно производить в несколько этапов, в качестве первоначальной оценки следует использовать методику, исполь зуицую конформное преобразование полубескон^чной области, соответствующей профилю каньона на каноническую; а затем уточнять полученные результаты путем проведения полевых' экспериментов в отдельных участка:.; на' завершающем этапе осуществляется моделирование методом конечных элементов с использованием апостериорной информации. Результаты расчетов должны изображаться в графической форме"-на терминала или на графопостроителе и служить основой• для принятия оптимального решения о фирме и местоположении подземной выработки.

. Для исследования напряженного состояния массивов, слагающих протяженные горные каньоны, находящихся в состоянии плоской деформации целесообразно привлечь аппарат математической теории

$

упругости. При этом компоненты тензора напряжений" представляются в виде:

= Т + А (у-Н) + о +о'+ов;

X X 1 XXX

о0 = АЛу-Н) + О +а'+ о® ; (1)

У 2\" у у у '

т° = А„(у-Н) + "С +г' + а® ,

ху 3 ху ху ху

где Н - глубина каньона; А^ Л7( 1-кссоа5); А2= 7(1-косовб); Аэ = 7кез1пб; А,=у/( 1-и) - коэффициент бокового распора для пород массива; линия у=Н является следом свободной поверхности массивов равнин " плоскостью ХОУ; о^.о ,т - характеризует влияние речно-> го каньона на распределения напряжений,в массивах пород; компоненты ог ов, 1® обозначают поле напряжений, возникающее вследствие образование горной выработки; компоненты °х, 0 , % ха-рактеризируют влияние веса плотины на распределение напряжений массивов каньона , б- угол между направлениями гравитационной и сейсмических сил; Тх - интенсивность горизонтальны:-, тектонических сил, к -коэффициент сейсмичности региона, назначаемый в соответствии с действующими СНИП 11-7-81 "Строительство в сейсмических районах".

Для вычклленля поля о , о , т применяется метод функций

х у у у

комплексного переменного, а в качестве функци. , осуществляющей конформное преобразование полуплоскости 1ш(С)<0 на полубесконечную область с границей, совладеющей с профилем каньона, используется выражение:

1С2+ аС+ А0+ £ ак /(С-1)к. (2)

к = 5

Отметим, что Р.В.Гольдштейн и Э.В.Калинин исгользуя значение п=0 в (2) оценивали напряженное состояние каньона параболической ф^рмы при действии сил тяжести ; Н.С.Курдин исследовал концентрацию напряжений в полубесконечной области с границей, вытекающей из (2) при п-< или 2 в условиях сосредоточенного нагружения.

В настоящей работе рассмотрены более общие случаи нагружения, исследованы поля напряжений,, обусловленные совместным действием сил различной природы. Основное внимание уделяется ..одели-рованию напряженного состояния каньонов конкретных форм.

Для . определения параметров а ,ак, п, соответствующих заданному профили, используется итерационная процедура,;'включающая в себя аппроксимацию кривой, совпадающей с ' контуром

Я

каньона, рациональной функцией

у=Р(х)= х2/а2 +( |ч 2в хк)/(1+х2)4 (3)

к = 1

После отделения действительной части от мнимой в (2) и подстановки их в (3) получается нелинейное уравнение, разрешаемое с помощью метода наименьших квадратов после линеаризации. В случае, когда точность отображения оказывается недостаточной, количество слагаемых в (2) увеличиваете» на 1. Предлагаемый метод использован для моделирования действительного профиля каньона р. Гунт, в районе строительства Памирекой ГЭС.

Удовлетворительное приближение получено менее чем за ! мин. машинного времени на ЭВМ ЕС ^060, при :.гом п=4.

Компоненты о о , т однозначно характеризуются функциями Ф(С) и Ф(С). Последние"1 определяются из системы уравнений:

Ф(С)Ы'(С)

п-1г к (к-р)а Ф(к-р1(-1) £ £ ----—п;£----------

к.!1 Р«о (к-г)I(С-1

Ф(С)и'(С) + [-21С + а - 2 ка/(С+1)к+1]ф(С) + (4)' 1 к=1 J

а [-1С2 + «С + а + 2 " /(С+1)к]ф'(СГ + п-1г к (п-к)а Ф(к-р'(-1)

= А(С),

+ 2 | 2-----------Г-Т-- = В(С),

Расчет напряженного состояния каньона р. Гунт выполнен для следующих трех схем нагрукения массива:

I.Действие силы тяжести (7=2,55 т/мя)

II.Совместное действие гравитационных и сейсмических сил (К =0.2, 0 = х/2 ).

С

III. Действие сжимающих тектонических сил ( -7Н/2).

Соответствующие этим видам нагружения'распределения напряжений представлены в виде эпюр контурных напряжений.При этом установлено, что в первом случае в срединной части долины контурные напряжения минимальны, я в бортах каньона достигает -0.7 тн. Во втором случае в нижней части левого склона появляются растягивающие напряжения, что соответствует сопровождающим "землетрясения оползням и обвалам горных склонов. Горизонтальные тектонические воздействия (случай ИТ.) приводят-к концентрации и^прякений в основании каньона, где превышает Т в 4,8 раза.

т

Распределение напряжений о^.о ,а в массиве, представленные в виде изолиний .показывает, что речной каньон оказывает заметное влияние на напряженное состояние участков, удаленных от его т-вергаюсти менее чем на 1,5 Н; с увеличением расстояния такая зависимость ослабевает.Выполнен прогноз величин напряжений для точки массива речного каньона, которая соответствует центру деривационного тоннеля Памирской ГЭС. При расчете напряжений по методу А.Н.Динника в этой точке должно быть : о =-2,6 МПа, о = -6,4 МПа, т =0. Сравнение с результатами полученными по предлагаемой методике (табл.1) показывает, что в рассматриваемом случае при использовании методики А.Н.Динника получаются заниженные велияи-ны, что может воспрепятствовать правильной оценке прочности пород в окрестности выработки.

Компоненты тензора напряжений около

тоннеля ари различных схемах нагружения. Таблица I.

ОИПа) ! Схема нагружения

! I ! II ! Ш

О У -5,5 -9.Ü -22.4

<• О -12,6 -15.3 -1.5

___ X чу -5,1 -8.4 -5.1

Получены эдалитические соотношения для функций Мусхелишвили, которые характеризуют влияние грунтовой плотины на распределение напряжений в массивах речного каньпа. Эти соотношения идентичны соотлошениям в (4), если только в них выполнит' замену: вместо Т и ^ положить »7П и . Здесь 7П - объемный вес грунта 1 - sin Ф

плотины, = "Г+-д1гГФ' ^ ~ угап внутреннего трения.

i t t

Расчет попей напряжений о , ^ , % выполняется по тому же алгоритму, который был использован при оценке влияния речного каньона. Проведение подземной выработку rhmupt за собой перераспределение напряжений в ее окрестности. Компоненты тензора напряжений для массива, ослабленного выработкой, представлены■в виде двух слагаемых. Первые слагаемые Sx, S ,S определяются в соответствии с С), а вторые о5, т,® ( обусловлены проведением Е.фаботки и также рассчитываю'; с помощью функций комплексного переменного. 0 этой целы» используется конформное преобразова-

ние внутренности единичного круга |С1|<1 на бесконечную область- с отверстием, совпадающим по форме с выработкой. Отображающая функция имеет вид : .

«(О = + 2 а С) (Б)

Для нахождения значений коэффициентов в (5), соответствующих конкретным формам выработок, используются итерационные процедуры. Для определения компонент о*, ов, т® получена система уравнений

ФСС) - е21б(ГяС2 + Г,С + Г0) + = 2 с1кСк + е"1бЫаС,

к = 1

*

Ч5+ 2 акС4"к .(6) Ф(С) + е-216 — г*=!---------ф'(С) + е-215(Г2/С2 + Г /С) =

Са(2М Ск+|- 1) . к =• 1

= е",г!П С + е1бМ 2 <1 Ск.

1 к

где N .М «Н - выражаются через значения ксл.лонент напряжений в точке х , у0, соответствующей центру выработки.

Предлагаемая методика определения напряженного состояния массива вблизи одиночной тоннельной выработки может использоваться для выработок, удаленных от поверхности на расстояния, аналогичные тем, что обычно используются для"выработок, пройденных в масдаах с горизонтальной поверхностью. В гористых, местностях, где рельеф) оказывает заметной влияние на ноле напряжений, варьируя место заложения выработки можно существенно изменить напряженное состояние в ее окрестности.

Влияние места заложения подземной выработки на напряженное состояние проанализировано в рамках "вычислительного эксперимента". Рассматривались каньоны симметричных и асимметричных форм. Результаты расчета, выполненного для деривационного тоннеля Па-мирской ГЭС позволили установить,что: а) при различных технически возможных местах заложения выработки на ее контуре возникают растягивающие напряжения; б) для проектного местоположения туннеля -8Г7 Шй, что близко к пределу прочности пород на одноосное сжатие; в) перемещая по горизонтали от проектного мвс-

АХ

тополокения выемки к поверхности склона на 320 м можно существенно, в 3,6 раза уменьшить величины ожидаемых растягиващих напряжений, причем, одновременно в 2,6 раза уменьшатся величины наибольших сжимающих напряжений; г) в случае пологих склонов перенос места заложения выработки в пределах одного горизонта в сторону поверхности •склона приводит к снижению растягиващих напряжений на контуре выработки, для каньонор с крутыми склонами имеет место обратная закономерность : исчезновение растягивающих напряжений происходит при переносе места заложения выработки в стерону, противоположную поверхности склона.

= Строительство высокой набросной плотины, проходка подземных туннелей и выемок Кокомеренской ГЭС повлекут за собой изменение естественного напряженного состояния массива пород на участках строительства. В 1990 году были проведены полевые эксперименты по определению напряженного состояния методами разгрузки и гидроразрыва. Работы выполнялись в штольне Я 1 в 175 м от устья. В результате получены данные о величинах компонент тензора напряжений на указанном участке.

Для оценки напряженного состояния массива на других" участках создана расчетная модель массива. Граничные условия в расчетной модели задавались согласно результатам полевых экспериментов. По физико- механическим свойствам породы, слагающие каньон, подразделяются на две основные группы: первая - зона ослабленных пород примыкает к дневной поверхности, здесь v = 0,2, Е = 2*10* Ша и вторая - область коренных пород, где v = 0,2, Е = 3,5-104 МПа. Расчеты выполнены, по методу конечных элементов.

Результаты прогноза представлены в виде изолиний вертикальных и горизонтальных компонент тензора напряжений в сечении каньона р.Кокомерен. Результаты оценки напряженного состояния для точки массива Щ>), где выполнены полевые эксперименты, полученные различными методами, предстаиле: j в таблице 2.

Анализ результатов, представленных в табл. 2, показывает, что несмотря на определенный разбрс\ значения компонент тензора напряжений, полученные гремя различными методами, близки . или соответствуют друг другу.* Из этого вытекает, что расчетную схему метода конечных элементов, в соответствии с которой вдоль вертикальных границ расч&тной области отсутствуют горизонтальные смещения, а по нижней горизонтальной равны нулю вертикальные перемещения, допустимо,-после необходимой модернизации, иеполь-

Значения компонент тензора напряжений в точке МР,

полученные различными методами Таблица 2

Компоненты тензор на-напряжений, МПа Метод разгрузки Метод гидроразрыва Метод конечных элементов

6,26 1.35 1,32 5,34 2.26

зовать для оценки влияния плотины Кокомеренекой ГЭС на напряженное состояние массива, слагающего каньон.

Грунтовая плотина оказывает давление на нижележащие породы. При этом вертикальная составляющая равна где Ь - расстояние от контура каньона до гребня плотины; горизонтальная составляющая равна Угол внутреннего трения, для материала плотины ГЭС

принят Ф = 30°, поэтому X = 1,3.

После возведения плотины в массиве пород, слагающих каньон, изменяется напряженное состояние. Зако,томерности перераспределения напряжений от влияния плотины изображены изолиниями горизонтальных, вертикальных и касательных напряжений В табл.3 приведены данные, характеризующие компоненты напряжений в точках (ЭТ), (СТ) Соответствующих местам заложения подземных выработок - энергетического тракта и строительного тоннеля соответственно.

Влияние плотины на компоненты напряжений Таблица 3

вблизи подземных выработок

Компоненты напряжений, МПа

V V 1 ху 0 1- 0 2

Строительный тоннель до

возведения плотины 2,25 10,37 1,29 10,57 2,05

Строительный тоннель пос-

ле возведения плотины 3,12 10,04 1,29 10,27 2,89

Энергетический тракт до

возведения плотины 2,05 8,78 0,72 1,97

Энергетический тракт пос- •

ле возведения плотины 3.20 "8,46 0,73 8,56 3,10

01 4,79 ± 2,58

Оа 3,83 ±2,19

0з 2,81 ± 1,80

°верт < 4'62 1 2'49

о 2,89 ± 1,84

5,86 ± 1,15 2,33 * 0,47 1,66 ± 0,78 5,86 ±1,15 2,33 ± 0,47

.После возведения плотины в окрестности обеих,рассматриваемых выработок увеличиваются величины горизонтальных компонент.тензора напряжений, а значения вертикальных остаются на прежнем уровне.

Значения параметров функции (5), отображающей конформно внутренность . единичного круга на плоскость с отверстием, совпадающим по форме с проектируемой подземной выработкой, равны: Н -3,1879; (3: = -0,0083;, 0, = 0,4549; а = -0,3670; <1 = 0,1454.

. Установлено, что после проведения выработки как в кровле строительного тоннеля, так и в кровле энергетического тракта обнаруживаются растягивающие напряжения: 2,7 МПа в первом случае и 1,3 МПа - во втором, что, как известно, означает, неустойчивое состояние массива. После возведения плотины как в кровле энергетического тракта, так и в кровле строительного тоннеля растягивающие напряжения исчезают.

Таким образом, возведение высокой набросной плотины не оказывает • неблагоприятного влияния на устойчивость массивов горных пород в окрестности энергетического тракта и строительного тоннеля Кокомеренской ГЭС.

ЗАКЛЮЧЕН •/ Р

В диссертации дачо новое ; решение актуальной научно-технической ■ задачи - моделирование- и расчет напряженного состояния массива пород вокруг подземной выработки, пройденной вблизи глубокого каньона.

Основные научные,' методические и практические результаты исследований заключается в следующем:

.1. Разработана и реализована в виде комплекса программ для ЭВМ методика оценки начального напряженного состояния массивов гсрных пород, слагающих глубокие каньоны разнообразных форм. На основе анализа напряженного состояния массивов пород, 'слагающих глубокие каньоны симметричной и асимметричной форты, установлено, что в основании склонов имеет мьсто концентрация горизонтальных, вертикальных нормальных и касательных напряжений. Влияние каньона на напряженное состояние массива пород простирается на 1,5 его характерных размера как в глубину, так и в стороны от . поверхности склонов.

Методика использована для построения модели напряженного состояния массива реального каньона для района строительства Па-мирской ГЭС. Выявлено, что на участке расположения ддривационно-

го тишеля и горизонтальные, и вертикальные компоненты в 2 . раза превышают напряжения, рассчитываемые по А.Н.Диннику.

2. Получены аналитические соотношения, описывающие изменение начального напряженного состояния массивов пород речных каньонов, в зонах возведения грунтовой плотины и заложения подземной выработки.

3. Проведены численные эксперименты по исследованию закономерностей распределения напряжений в окрестности подземных выработок в зависимости от их месторасположения в склонах и под дном речных каньонов. Установлено, что:

- на контуре выработки, пройденной в горном склоне (основании) глубокого каньона появляются растягивающие и высокие сжимающие напряжения;

- в кровле деривационного тоннеля Памирской ГЭС имеют место растягивающие напряжения. Величина растягивающих напряжений на контуре тоннеля снижается при переносе места его расположения в пределах одного горизонта в сторону поверхности пологого склона;

- для каньонов с пологими склонами перенос места заложения в сторону поверхности в пределах одного горизонта повышает устойчивость выработки, а для каньонов с крутыми . склонами имеет место противоположный результат.

4. Выполнены экспериментальные исследования по определению естественного поля напряжений на участке расположения основных сооружений Кокомеренской ГЭС и на их основе построена модель напряженно-деформированного состояния склонов и основания долины р.Кокомерен на участке строительства ГЭС. ®

5. Дана оценка влияния высокой грунтовой плотины Кокомеренской ГЭС°на распределение напряжений в окрестности подземных выработок - энергетическиго тракта и строительного тоннеля. Показано, что о возведением плотины в кровле указанных выработок исчезают растягивающие напряжения; возведение плотины не потребует дополнительных мероприятий по креплению указанных подземных выработок. Экономический эффект от и: прения результатов исследований составил в ценах января 1992 года составила 285 тыс. рублей (до!я автора) .

6. Результаты исследований па оценке начального напряженного ,'остояния каньона р. Гунт использованы для обоснования проектных I ».гний по проведению трассы деривационного тоннеля Памирской ГЭС • '■>, Тпюпифоирк'кге).

7. Построенные аналитические решения задач о концентрации напряжений вокруг внешних -вырезов и вокруг отверстий плоских конструкций и составленные на их основе пакеты программ используются в учебном процессе в Кыргызском архитектурно-строительном институте.

Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах автора:

1. О распределении напряжений в массиве в основании каньона, ограниченного . параболическим цилиндром// Напряженно-деформированное состояше массива пород в горных районах. - Фрунзе: Илим, 1985. - с.67-71.

2. О напряженном состоянии массива пород в основании долины р. Гунт// Напряженно - деформированное состояние массивов пород в районах с горным рельефом. - Фрунзе, :Илим. 1987. - с. 24-30.

3. Напряженное состояние массива пород в основании глубокого каньона под действием объемных и горизонтальны тектонических сил. // Напряженно - деформированное состояние массивов пород в районах с горным рельефом. - Фрунзе, :Шшм. .1987. - с. 24-30.

4. Численно-аналитическая оценка напряженного состояния массива пород в основании речной долины (совместно Б. ЗКумабаевт и В.Я. Степановым) // Численные методы оценки устойчивости, подземных сооружений. - Апатиты :КФ АН СССР, - 1938. -С. 85-88.

5. Влияние рельефа на напряженное состояние массива пород вблизи выработки // Механика горныхссклонов, откосов и подземных сооружений. Освоение подземного пространства(совместно Б. Жума-баевым и В.Я. Степановым) ( Материалы 9-й Всесоюзной конференции по механике горных пород). - Фрунзе :Млим, 1990. - С.333-339.

~ 6. О.влиянта рельефа поверхности на распределение напряжений в окрестности подземной выработки// Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях вы.;окогорья. Бишкек, БШ. 199!, - с.34-35.

7. Распределение напряжений вокруг выработок, пройденных' в* зоне влияния каньо,та ( совместно Б. Жумабаевнм) // Напряженное состояние и разрушение горных пород. -Гишкек. :Илим, - 1991. С.

157- 168 ь

8. О распределении напряжений вблизи подземной выработки,, .пройденной в горном склоне./ .Препринт.:Информационное агентство Евразия-LTD .Бишкек, 1992. -27 о.

Grlgorl В. Khodossevltch

Rock massif stressed state in the vicinity of a hole mined in a mountain slope.

The dissertation offers the solution of a scientific and technical problem of today: modeling and calculation of rock stress state round an underground hole mined in a mountain slope. Methods to calculate the massif stress state near underground constructions were proposed and realized as. a computer -program complex enabling to take into account the shape and sizes of a river canyon or dam, location, sizes and shape of the hole, as well as the combined ' action of volumetrlcal- and horizontal tectonic forces. The results of modeling the stressed and deformed rock massif state in the districts of Kokomeren and Pamir hydroelectric stations are presented.

Ордоштуу too тулкусунда жайгашкан жерастындагы казмалардын айланасындагы too тектерешш чшалуу ахвалы.

Диссертацияда ордоштуу . тоо - тулкусунда" жайгашкан . жер астшдагы казмалардын моделин тузуу жана 'алардын • айланасындагы тоо тектерпндеги чиналууну эсептоо конундогу илймдмн ханы маселеси чечилген. \ * 'Vv"-'. Л' ■

Жер астындагы казмалардцн айланасшщаш чииалууну эсептоо учун сунуш юшшган кана'ив. -кузундо колдонудш; 'ыкмалар менен ЭШ учун тузулгон программалардан тобужер1 бетищш тоолу келОетщ, капчыгай менен жер казмасынын; туру менен /чоядугун, плотинанш таасирин, ошондой эле тоо тектеринин салмактык басиш менен тектоникалык кысуу кучторунун таасир етишин чогуу камтый алат.

Итте Кокомерен жана Памир ГЭСтери курулган аймактага тоо; тектериндеги чыналуу ахвалын аныктаган изилдоолордун 'жайынтиктары келтирилген.

Summary

Ходосевич Григорий Борисович

Аннотация