книги / Основы механики горных пород

Последние десятилетия XIX в. и начало XX в. можно счи­ тать периодом следующего этапа в развитии механики горных пород. В отличие от предыдущего на данном этапе в результате обобщения отдельных фактов уже создаются более или менее стройные гипотезы о физической сущности, механизме процес­ сов, развивающихся в массиве пород при проведении горных выработок.

Кроме того, этот период отличается расширением методов исследований. В частности, для изучения процессов деформиро­ вания пород вокруг выработок начинают привлекать методы моделирования. Однако первые опыты на моделях проводили без соблюдения принципов подобия и потому они лишь в самых общих чертах воспроизводили характер процессов, происходя­ щих в реальных условиях. Вместе с тем если на раннем этапе развития механики горных пород практически полно­ стью отсутствовал учет свойств пород как деформируемой среды, то в работах, относящихся к данному периоду, на­ стойчиво предпринимаются попытки введения в расчетные зависимости деформационно-прочностных характеристик гор­ ных пород.

Именно этим объясняется широкая популярность и относи­ тельная долговечность высказанных в то время гипотез, при­ чем основные положения и расчетные схемы некоторых из них не утратили определенного значения и в наши дни и могут с успехом применяться в упрощенных инженерных расчетах элементов систем разработки.

Наиболее разработанной из них является гипотеза проф. М. М. Протодьяконова, явившаяся первой стройной системой взглядов и аналитических построений для расчета устойчивых пролетов выработок и горного давления. Эта работа явилась значительным шагом вперед по сравнению с известными в то время исследованиями зарубежных ученых.

В тот же период получили развитие расчетные схемы, по­ строенные на основе методов, строительной механики и сопро­ тивления материалов. При этом пласты пород, прогибающиеся над выработанным пространством, рассматривались как балки или плиты. Подобные подходы, но более конкретизированные, и в настоящее время применяют для описания условий дефор­ мирования и разрушения пород вокруг выработок с учетом структуры массива.

Наличие в расчетных формулах показателей механических свойств горных пород потребовало в свою очередь совершен­ ствования методов испытаний горных пород. Причем на данном этапе наряду с методами определения свойств, заимствован­ ными из области испытаний строительных материалов, начали разрабатывать и специальные методы определения механиче-

характеристик горных пород, учитывающие специфику их

напряженно-деформированного состояния в условиях естест­ венного залегания.

В направлении дальнейшего развития теории сдвижения толщи пород и земной поверхности в рассматриваемый период проводили интенсивные методические разработки для получе­ ния более точной и полной пространственно-временной картины деформирования массива горных пород. С этой целью стали производить высокоточные инструментальные измерения вер­ тикальных и горизонтальных деформаций пород не только на дневной поверхности, но и непосредственно в горных выра­ ботках.

Благодаря полученным результатам были предложены пер­ вые методы аналитических расчетов сдвижений земной поверх­ ности. Однако вначале они не были основаны на физических предпосылках и базировались на общих предположениях, что свидетельствует о полуэмпирическом характере предложенных методов. Предлагались также и чисто эмпирические методы предрасчета сдвижений исходя из интерпретации вида кривых оседания поверхности в результате ее подработки.

Однако все эти расчетные методы обеспечивали достаточ­ ную точность лишь для определенных конкретных условий, т. е. носили частный характер. Вероятно, в рассматриваемый период это было в определенной мере закономерно, так как в то время только еще приступали к исследованию закономерностей де­ формирования толщи пород между выработками и дневной по­ верхностью и к изучению основной причины всех наблюдаемых явлений — изменения напряженного состояния породного мас­ сива по мере извлечения из недр породных масс.

По мере накопления практического опыта разработки ме­ сторождений полезных ископаемых, возведения и эксплуатации различного рода подземных сооружений во все более расши­ ряющемся1диапазоне горно-геологических условий и, в частно­ сти, при неуклонном увеличении глубины проведения работ, а также с возрастанием масштабов добычи полезных ископае­ мых все резче обнаруживалось несоответствие предложенных методов и схем расчета крепей выработок, параметров цели­ ков и деформаций поверхности фактическому состоянию пород

идеформирующихся конструкций.

Впервую очередь отмеченное несоответствие объяснялось отсутствием силового подобия предложенных расчетных схем

натурным условиям. В силу этого на смену представлениям, в которых рассматривалось изменение состояния лишь некото­ рых локальных областей массива пород, непосредственно при­ мыкающих к контуру выработок (гипотезы сводообразования, методы строительной техники), были выдвинуты гипотезы, где с единых позиций рассматривалось изменение напряженно-де­ формированного состояния всего массива, вмещающего горные

выработки, толщу пород до поверхности и саму земную поверх­ ность. В частности, с 30-х годов XX в. стали широко использо­ вать методы механики сплошных сред. При этом практически во всех основных работах, посвященных решению тех или иных вопросов механики горных пород, явно выделяются два карди­ нальных вопроса: 1) как происходит изменение естественного напряженного состояния пород в результате проведения горных выработок и 2) как реагируют на это изменение полей напря­ жений породы массива, вмещающего выработки.

Специфика механики горных пород состоит в том, что ука­ занные вопросы тесно взаимосвязаны: любое деформирование пород вызывает перераспределение напряжений, которое в свою очередь приводит к дальнейшему деформированию. Указанная общая постановка справедлива для различных задач механики горных пород, решение которых в каждом конкретном случае требует лишь надлежащей точности отображения параметров деформируемой среды в расчетных схемах.

В результате обобщения качественно новых эксперимен­ тальных данных на смену гипотезам, господствовавшим на пре­ дыдущих этапах, пришли новые представления о характере процессов, происходящих в массиве горных пород при прове­ дении выработок. Суть этих представлений заключается в вы­ делении вокруг выработок нескольких зон, в пределах которых породы находятся в различном напряженно-деформированном состоянии, определяемом естественным полем напряжений по­ родного массива и его деформационно-прочностными харак­ теристиками. При этом ранее выдвигающиеся гипотезы в боль­ шинстве случаев являются частными случаями современных представлений.

В свою очередь новая система научных взглядов на про­ цессы, происходящие в массиве горных пород, позволила объ­ яснить многие факты, суть которых до последнего времени оставалась неясной. К их числу относятся прежде всего так называемые динамические явления механики горных пород — стреляние пород в выработках, внезапные выбросы и горные удары.

Прямым следствием новых представлений явилось также изменение взглядов на методы оценки устойчивости пород и роль крепи горных выработок. Если по прежним представле­ ниям крепи приписывали пассивную роль восприятия тех или иных нагрузок со стороны окружающих пород, то на современ­ ном этапе выдвинута качественно новая гипотеза о механизме взаимодействия крепи и массива пород. Сущность ее состоит в том, что давление на крепь зависит помимо прочих факторов от перемещения породного контура выработки. Эта же вели­ чина определяется наряду с другими факторами деформацион­ ными характеристиками самой крепи.

На базе современных представлений достигнуты значитель­ ные успехи и в создании более совершенных методов расчета сдвижения и деформаций земной поверхности под влиянием горных выработок. Для всех угольных месторождений СССР

создана однотипная по структуре формул методика расчета сдвижений, учитывающая специфику конкретных горно-геоло­ гических условий. Разработаны и научно обоснованы методы проектирования и расчета конструктивных мероприятий по за­ щите зданий и сооружений при их подработке. Тем самым практически доказана возможность создания общей расчетной схемы сдвижений и деформаций массива для любых горно-гео­ логических условий и начаты работы по составлению «Единых правил охраны сооружений» взамен ныне действующих ин­ структивных документов, составленных для отдельных бассей­ нов и месторождений.

Таким образом, в целом современный этап развития меха­ ники горных пород характеризуется:

а) установлением общих закономерностей естественного на­ пряженного состояния массивов горных пород и его изменений при проведении выработок на основе измерений в натурных условиях, изучения на моделях, а также теоретических иссле­ дований с широким привлечением методов механики сплошной среды;

б) существенным расширением познаний о деформационно­ прочностных свойствах массивов пород, окружающих выра­ ботки, по данным изучения как в лабораторных, так и в натур­

шенных методов расчета крепей и параметров систем разра­ ботки по фактору устойчивости.

Современное состояние изученности геомеханических про­ цессов позволяет не только прогнозировать их проявления и развитие, но и в определенной степени управлять ими путем целенаправленного изменения параметров и порядка ведения горных работ, взаимного положения и скорости подвигания очи* стных выработок, применения закладки выработанного прост­ ранства и других способов снижения вредного влияния горных разработок, которые имеют существенные преимущества перед традиционными способами охраны инженерных и природных объектов путем оставления предохранительных целиков.

Развитие методов и способов управления геомеханическими процессами становится еще более актуальным перед лицом но­ вых глобальных проблем, с которыми столкнулось человече­ ство во второй половине нашего столетия. В первую очередь

это касается проблемы охраны окружающей среды. Особенно ощутима острота ее в высокоразвитых горнодобывающих рай­ онах, где совместное влияние горных выработок и промышлен­ ных предприятий очень быстро и резко изменяет экологическую обстановку в этих районах. В частности, подработка природных объектов без надежного прогноза ожидаемых последствий и без принятия (при необходимости) профилактических мер мо­ жет весьма неблагоприятно повлиять на окружающую среду промышленного района.

Однако, несмотря на несомненные успехи в развитии меха­ ники горных пород, предложенные методы и расчетные схемы для определения нагрузок и условий деформирования и раз­ рушения пород еще недостаточно совершенны и в ряде случаев мало удовлетворяют расширяющимся запросам практики. По­ этому не теряют значимости задачи дальнейшего совершен­ ствования методов учета характерных особенностей массива пород как с точки зрения более достоверного определения па­ раметров полей действующих напряжений, так и более деталь­ ного определения прочностных и деформационных характери­ стик, обусловленных в первую очередь неоднородностью струк­ турных элементов, слагающих породные массивы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

н и й /И . А . Т у р ч а н и н о в , М . П . В о л а р о в и ч , А . Г. Б о н д а р е н к о и д р . Л ., Н а у к а ,

с.12— 2 2 .

И . М . П е т у х о в , В . А . Л и т в и н , Л . В . К уч ер ск и й и д р . П ер м ь , П е р м и зд а т ,

63.Колбенков С. П., Павлов А. Я. К вопросу расчетов деформаций зем­

ной поверхности.— Тр. ВНИМИ, 1963, № 50, с. 114—130.

64.Кратч Г Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых соору­

жений. М., Недра, 1978. 494 с.

65.Крупенников Г. А. Исходные данные для конструирования крепей

применительно к условиям очистных выработок Подмосковного бассейна.— В кн.: Исследования горного давления применительно к механизированным крепям. М., 1954, с. 163—230.

66. Кузнецов Г. Я. Определение полной несущей способности кровли под­

земных выработок.— Тр. ВНИМИ, 1950, № 22, с. 231—259.

67. Кузнецов Г. Нч Слободов М. А. Определение методом разгрузки на­

пряжений, действующих в междукамерных целиках.— Тр. ВНИМИ, 1950, № 22, с. 151—174.

68. Курленя М. ВАксенов В. К. Руководство по измерению изменений

напряжений в угольном массиве скважинными гидравлическими датчиками.

62с.

70.Лехницкий С. Г. Теория упругости анизотропного тела. М.—Л., Гос-

техтеориздат, 1950. 300 с.

71.Лехницкий С. Г. Теоретическое исследование напряжений в упругом

анизотропном массиве вблизи подземной выработки эллиптического сечения.— Тр. ВНИМИ, 1962, № 45, с. 155-179.

72.Любимов Я . Я., Носенко Л. И. Справочник по физико-механическим

параметрам горных пород рудных районов. М., Недра, 1978. 285 с.

73.Мазаник В. Я., Макаров В. Я. Трещиноватость скальных пород Во­

сточного рудного узла Печенги и ее влияние на горные работы.— В кн.: Пути повышения эффективности открытых горных работ. Л., 1970, с. 84—92.

74.Максимов А. П. Выдавливание горных пород и устойчивость подзем­

ных выработок. М., Госгортехиздат, 1963. 144 с.

75.Марков Г А. Тектонические напряжения и горное давление в рудни­

ках Хибинского массива. Л., Наука, 1977. 213 с.

76.Матвеев В. А. К вопросу применения ЭВМ для решения оперативных

задач управления горным давлением в очистных забоях.— В кн.: Проблемы

механики горных пород. Новосибирск, 1971, с. 155—162.

77.Метод прогнозирования устойчивости капитальных и подготовитель­

ных выработок и вмещающих пород. М., 1970. 40 с.

78.Метод фотоупругости/Под общей ред. Г. А. Хесина. М., Стройиздат,

1975. Т. 1— 460 с.; т. 2 — 367 с.; т. 3 — 312 с.

79.Методика определения и прогнозирования прочности и деформируе­

мости горных пород при различных скоростях приложения нагрузок. М., ИГД им. А. А. Скочинского АН СССР, 1982. 28 с.

80.Методические указания по использованию системы непрерывного кон­

троля удароопасности на угольных и рудных месторождениях. Л., ВНИМИ, 1983. 50 с.

81.Методические указания по оценке напряженного состояния угля и

пород электрическим методом. Л., 1974. 59 с.

82.Методические указания по применению метода разгрузки для измере­

ния напряжений в массивах горных пород/Г. Т. Нестеренко, В. М. Барковский, Б. С. Скозобцов, Р. К. Твердовский. Л., ВНИМИ, 1972. 35 с.

83.Методическое пособие по изучению слоистости и прогнозу расслаи-

ваемости осадочных горных пород. Л., ВНИМИ, 1967. 84 с.

84.Методология расчета горного давления/С. В. Кузнецов, В. А. Трофи­

мов, В. Н. Одинцов и др. М., Наука, 1981. 103 с.

85.Михайлов А. Е. Полевые методы изучения трещин в горных породах.

М, Госгеолтехиздат, 1956. J32 cf

86. Моделирование проявлении горного давления/Г. Н. Кузнецов,

М. Н. Будько, 10. И. Васильев и др. Л., Недра, 1968. 279 с.

87. Мостков В. М. Подземные сооружения большого сечения. М., Недра,

1974. 320 с.

88. Мочалов А. M.t Созыкин Г. В. Изучение залегания поверхностей

скольжения оползней на карьерах с помощью инклинометрии.— Труды ВНИМИ, 1980, с. 106—111.

89.Муллер Р. А. О напряженном состоянии зернистой грунтовой среды.—

Вкн.: Вопросы проектирования и защиты зданий и сооружений на основа­ ниях, деформируемых горными выработками. М., 1962, с. 149—166.

90.Мусхелишвили Н. Я. Некоторые основные задачи математической

теории упругости. М., Наука, 1966. 707 с.

91. Недвига С. Н., Недашковский Я. В. Гидроразрыв как способ опре­

деления напряжений в угольных пластах.— В кн.: Измерение напряжений

вмассиве горных пород. Новосибирск, 1970, с. 210—211.

92.Нифонтов Б. И., Корнев Г. НСуходрев В. М. Основы электриче­

ского моделирования действия взрыва и удара. М., Недра, 1971. 159 с.

93.Новые способы и аппаратура контроля устойчивости горных вырабо­

ток. М., Изд-во Моек, горного института, 1985. 6 с.

94.Определение напряжений в массивах скальных пород/И. А. Турчани­

нов, В. И. Панин, В. С. Кононенко и др.— В кн.: Диагностика напряженного состояния породных массивов. Новосибирск, 1980, с. 42—48.

95.Определение напряжений в массивах горных пород методом раз­

грузки с применением фотоупругих покрытий/И. А. Турчанинов, В. Ф. Трумбачев, Л. С. Молодцова, В. И. Иванов.— Физико-технические проблемы раз­ работки полезных ископаемых, 1967, № 3, с. 17—21.

96.Отвалы на горных склонах (учет криогенных факторов и оценка де­

152с.

97.Павловский Я. Я. Теория движения грунтовых вод под гидротехни­

ческими сооружениями и ее основные приложения. Пг., Литогр. изд. науч.- мелиорац. ин-та, 1922. 752 с.

98. Пейве А. В. Разломы и тектонические движения.— Геотектоника,

1967, № 5, с. 8—24.

99. Петросян А. Э., Иванов Б. М. Причины возникновения внезапных вы­

бросов угля и газа.— В кн.: Основы теории внезапных выбросов угля, породы

игаза. М., 1978, с. 3—61.

100.Петухов И. А. Расчет величины сдвижений по напластованию при

разработке угольных пластов в Челябинском бассейне.— Тр. ВНИМИ, 1966,

№56, с. 96—101.

101.Петухов И. А., Земисев В. Я., Файнштейн Ю. В. Современные ме­

тоды прогнозирования сдвижений и деформаций в сложных условиях.— Тр. ВНИМИ, 1981, с. 3—10.

102. Петухов И. А., Самарин В. П., Шляхецкий В. К. Методические ука­

зания по новому методу измерения смещения горных пород в массиве. Л., ВНИМИ, 1972. 28 с.

103.Петухов И. М., Воскобоев Ф. Н. Опыт применения глубинных ре­

перов для изучения сдвижений и деформаций горных пород в массиве. М. Недра, 1967. 39 с.

104.Петухов Я. М., Линьков А. М. Механика горных ударов и выбро­

Ж. С. Ержанов, А. С. Сагииов, Г. Н. Гумеиюк и др. Алма-Ата, Наука, 1970. 207 с.