книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА

В Н И М И

ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ, СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

И МЕТОДИКА МАРКШЕЙДЕРСКИХ РАБОТ

СБОРНИК LXXXI

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОБЛЕМ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ

Ленинград

1970

П Р Е Д И С Л О В И Е

Прогресс горной промышленности тесно связан с интенсификацией

В настоящее время этими исследованиями занято большое число научно-исследовательских организаций страны; расширение работ ставит требования по дальнейшему улучшению их качества.

Отсутствие единых общих рекомендаций по выбору и поставновке горногеомеханических задач и их научно-методическому обеспечению затормаживающе сказывается на эффективности проводимых иссле­ дований.

С целью устранения этого недостатка ВНИМИ разработаны «Об­ щие методические положения комплексного исследования проблем горной геомехаиики», освещающие в широком плане современные достижения в данной области и содержащие основополагающие методические рекомендации по организации научных исследований в направлении обеспечения их актуальности, рациональной последо­ вательности, сопоставимости и практической приложимости резуль­ татов.

В работе изложены современные представления о механических процессах, происходящих в массивах горных пород при разработке недр; даны рекомеидациц по исследованию механических свойств пород, изучению устойчивости элементов подземных и открытых горных выработок, оценке взаимодействия массивов с инженерными сооружениями; рассмотрены вопросы деформирования, сдвижения и разрушения массивов пород под влиянием различных комплексов воздействий.

Методические указания и рекомендации, собранные и системати­ зированные в «Общих методических положениях», рассчитаны на преимущественное использование их работниками научно-исследо­ вательских институтов горнодобывающей промышленности при пла­ нировании, подготовке и проведении исследований, анализе и про­ мышленном внедрении результатов исследовательских работ. Они так­ же будут полезны в качестве учебного пособия для студентов и пре­ подавателей горных ВУЗов и техникумов. Вместе с тем они окажут помощь работникам проектных институтов при определении соста­ вов и объемов исходных данных для проектирования горных пред­ приятий и расчете их горногеомеханических параметров.

Работа выполнена большим авторским коллективом сотрудников ВНИМИ под общим руководством проф., докт. техн. наук Г. А. КрУпенникова и проф., докт. техн. наук Г. Н. Кузнецова на основании разностороннего изучения вопросов горной геомеханики, с учетом отечественного и зарубежного опыта исследований и научных До­ стижений в данной области.

3

Составителями глав «Общих методических положений» являются:

инж. М. Н. Будько, инж. Г. А. Иевлев, проф., докт. техн. наук Г. А. КрУпенников; гл. IV —канд. техн. наук Г. Т. Нестеренко, инж. В. И. Ах­ матов, канд. техн. наук Б. Н. Севастьянов и инж. В. М. Барковский;

канд. техн. наук А. М. Козел, канд. техн. наук И. Л. Давыдович, проф., докт. техн. наук Г. А. Крупенников; гл. VII —канд. техн. наук С. Т. Кузнецов, докт. техн. наук К. А. Ардашев, канд. техн. наук Ф. П. Бублик, канд. техн. наук Ф. Н. Воскобоев и канд. техн. наук А. А. Орлов; гл. VIII —канд. техн. наук Г. Т. Нестеренко, канд. техн. наук Б. С. Скозобцов, канд. техн. наук В. Д. Палий; гл. IX — проф., докт. техн. наук Г. Л. Фисенко, канд. техн. наук А. М. Моча­ лов; гл. X — канд. техн. наук М. В. Коротков, канд. техн. наук А. Г. Аки­ мов, канд. т.ехн. наук Р. А. Муллер; гл. XI —докт. техн. наук И. М. Пе­ тухов, канд. техн. наук Я. А. Бич и канд. техн. наук В. В. Тетеревенков.

В данных методических положениях использованы и учтены ма­ териалы, замечания и пожелания, поступившие от ИГД им. А. А. Скочинского (проф., докт. техн. наук В. И. Барановский, проф., докт. техн. наук В. Н. Хорин, проф., докт. техн. наук М. Н. Гелескул, канд. техн. наук Н. П. Бушуев), ДонУГИ (проф., докт. техн. наук B. Т. Давидянц, проф., докт. техн. наук Ю. 3. Заславский, канд. техн. наук П. И. Шестов), КузНИУИ (канд. техн. наук А. К- Коврижин, канд. техн. наук С. И. Запреев, инж. В. И. Захаров), МакНИИ (к.тн. А. Т. Тимошенко), ПНИУИ (канд. техн. наук И. А. Крашкин, канд. техн. наук В. Б. Будник), ИГД СО АН СССР (чл. корр. АН СССР Т. Ф. "Горбачев, проф., докт. техн. наук Г. И. Грицко), ИГТМ АН УССР(акад. Н. С. Поляков, докт. техн. наук В. Т. Глушко), ЛГИ (проф. Б. В. Бокий, проф., докт. техн. наук А. А. Борисов), Тех­ нического управления Минтяжстроя СССР (канд. техн. наук Т. Н. Цай),

проф., докт. техн. наук Г. А. Крупенниковым, проф., докт. техн. наук Г. Н. Кузнецовым и канд. техн. наук Н. А. Филатовым.

Работа рассмотрена, дополнительно отредактирована и одобрена редакционной комиссией, образованной Постановлением НТС по проблеме горного давления и горных ударов при Техническом уп­ равлении МУП СССР от 15—17.IV.1969 г.

Состав комиссии: проф., докт. техн. наук, акад. АН Кирг. ССР C. Г. Авершин (председатель), заслуж. деятель науки и техн. РСФСР, проф. Б. В. Бокий, проф., докт. техн. наук В. И. Барановский, проф., докт. техн. наук В. Т. Давидянц, проф., докт. техн. наук Г. А. Кру­ пенников, проф., докт. техн. наук Г. Н. Кузнецов, канд. техн. наук Н. А. Филатов.

На различных стадиях подготовки «Общих положений» большую научную и практическую помощь составителям оказали ценными советами и замечаниями, активным содействием, рецензированием или редактированием, поддержкой при обсуждениях профессора А. К. Хар­

4

В в е д е н и е

Горная геомеханика или механика горных пород — фундаменталь­ ный раздел горной науки, включающий изучение механических свойств массивов горных «пород и механических процессов/возни­ кающих в них при горных разработках.

Задачами горной геомеханики являются:

1)обоснование технологических параметров и процессов выемки пород и добывания полезных ископаемых, связанных с их разруше­ нием и отделением от массива;

2)рациональное управление горным давлением, выражающееся

вустановлении закономерностей возникновения и развития напря­ женно-деформационных полей в области влияния горных разрабо­ ток, целенаправленном перераспределении напряжений, деформа­ ций, перемещений, разрушений и упрочнений породного массива, обеспечивающее безопасный и производительный труд горнорабочих.

Горная геомеханика теснейшим образом связана с геологией и инженерной геологией, с физико-математическими науками, особенно с механикой деформируемой среды, геофизикой и другими науками

оЗемле и со строительной механикой. Занимаясь рассмотрением воз­ действия на массив горных пород не только естественных, но и про­ изводственных факторов, она в этом смысле является более широкой наукой, чем геомеханика. Вместе с тем, по масштабу изу­ чаемых объемов она уступает последней, так как ограничивается локальными областями земной коры.

Вданной работе рассматриваются вопросы исследования проблем управления горным давлением: взаимодействия крепи горных выра­ боток с массивом горных пород, устойчивости подземных и открытых горных выработок, сдвижения породных толщ и земной поверхности под влиянием горных работ, меры борьбы с горными ударами и внезапными выбросами угля и газа и др. При этом используется преимущественно комплексная методика исследований, построенная на основе совместного применения натурных, лабораторных и ана­ литических методов [35, 52].

6

Постепенно развиваясь с древнейших времен горная геомеханика начала формироваться в научную дисциплину лишь с XIX в. До это­ го времени первые попытки обобщения разрозненных сведений из области горной геомеханики известны лишь в трудах Агриколы (XVI в.) и, особенно, М. ,В. Ломоносова (XVIII в.).

К XIX в. относятся первые систематические исследования механи­ ческих свойств горных пород (Бах/ Баушингер, Адамс и др.) и раз­ работки специальных частных гипотез горного давления (Туалье, Гоно, Ржиха и др.) на основе анализа результатов производствен­ ного опыта [56, 59, 12].

В нашей стране интенсивное развитие горная геомеханика по­ лучила после Великой Октябрьской социалистической революции (точнее — с начала восстановления горной промышленности СССР). В том, что советская горная наука и, в частности горная геомеханика, прочно удерживает сегодня передовые позиции в ряде основных направлений практики и теории горного производства, немалая за­ слуга советских ученых — М. М. Протодъяконова, Б. И. Бокия, В. Д. Слесарева, П. М. Цимбаревича, Д. С. Ростовцева, И.М. Бахурина, А. Н. Динника, А. А. Скочинского, Л. Д. Шевякова и др. [70, 64, 44].

Развитие горной геомеханики на современном ее этапе происхо­ дит под влиянием следующих изменений в горнодобывающей про­ мышленности СССР:

широкого применения новых систем подземной и открытой раз­ работки полезных ископаемых;

коренного совершенствования существующих и применения но­ вых способов ведения горных работ;

механизации тяжелых и трудоемких работ (в том числе меха­ низации управления горным давлением в очистных выработках угольных шахт);

высоких темпов развития горнодобывающей промышленности, вызвавших вовлечение в разработку новых месторождений со слож­ ными условиями, быстрое увеличение глубины разработок, следст­ вием чего явилась необходимость ускоренного решения ряда слож­ ных вопросов горной геомеханики, например, борьбы с горными ударами, внезапными выбросами угля и газа, прорывами вод и глин, возникновением оползней, и т. п.;

принципиально новых подходов к требованиям безопасности и облегчения условий труда в горнодобывающей промышленности.

В связи с перечисленными и другими изменениями в горнодо­ бывающей промышленности СССР сразу же после Великой Октябрь­ ской социалистической революции было обращено особое внима­ ние на' интенсификацию исследований в горной науке, в том числе в горной геомеханике [14, 74].

7

Сэтой целью был последовательно проведен ряд мероприятий,

вчастности:

развитие сети специальных научно-исследовательских лаборато­ рий при научно-исследовательских и учебных институтах горного профиля, образование специализированных институтов [126, 51, 23,

67и др.]; организация сотрудничества специалистов горногеомеханического

технические проблемы разработки полезных ископаемых», «Шахт­ ное строительство», разделов по горной геомеханике;

проведение ряда совещаний, семинаров, симпозиумов и конфе­ ренций, координация и согласование действий исследователей в данной области [68, 69, 32, 42, 19, 55, 17, 25 и др.].

Перечисленные мероприятия привели к значительному оживле­ нию и большей результативности научных исследований.

В последнее время:

поставлены и планомерно проводятся широкие инструменталь­ ные наблюдения за проявлениями горного давления в разнообраз­ ных горно-геологических условиях при ведении различных видов горных работ [5—8, 30, 71 и др.];

Методически разрабатываются и систематически расширяются разносторонние лабораторные исследования по изучению физико­ механических свойств пород, выявлению закономерностей проявле­ ния горного давления на моделях из эквивалентных, оптическиактивных и других материалов [64, 38, 28 и др.];

сперва разрозненно, а затем более организованно проводятся многоплановые аналитические исследования с помощью теоретиче­ ской и прикладной механики сплошных и дискретных сред с при­ влечением ряда эффективных математических методов [60, 29, 37

и др.]; успешно развиваются и находят все более широкое применение

эффективные комплексные исследования закономерностей горной геомеханики, основанные на рациональном сочетании натурных, лабораторных и аналитических исследований .[13, 20, 36 и др.].

Существенный вклад в дело изучения вопросов горной геомеха­ ники и внедрения в практику результатов научных исследований внесли ученые ряда стран СЭВ: Польши, Чехословакии, ГДР и других государств с развитой горнодобывающей промышленностью [33, 79, 80 и др.].

Ряд полезных разработок выполнен учеными капиталистических стран [16, 76—78 и др.].

В итоге всех указанных работ в настоящее время получил ре­ шение ряд практически важных вопросов горной геомеханики и

8

выработаны направления дальнейшего рационального ее развития [3, 21 и др.].

Прогресс горной геомеханики, как и многих других наук, не был равномерным. Одни научные направления развивались бы­ стрее, чем другие; одни результаты получили значительно более глубокие и разветвленные практические приложения, чем другие. Обстоятельства сложились так, что экспериментальные исследования опережали в своем развитии исследования аналитические; равным образом, позитивное накопление конкретных результатов происхо­ дило быстрее, чем протекало их научное обобщение и формирова­ лась теоретическая кристаллизация понятий и методов.

Такое неравномерное развитие и существенное относительное отставание некоторых направлений горной геомеханики объясняется как большой сложностью изучаемых вопросов, так и недостаточно четко поставленными планированием, координацией и научно-мето­ дическим обеспечением исследований. Не касаясь общих вопросов организации научных исследований, следует упомянуть, однако, о чисто методических вопросах. Вполне естественно, что на определен­ ном этапе развития науки еще не выработались ясные представления об общем объеме задач, подлежащих исследованию, а также о по­ следовательности и рациональных методах их решения. Ставились и решались задачи, выдвигаемые непосредственно производством, причем методика исследования носила отпечаток индивидуальности как задачи, так и исследователя: его знаний, вкусов, воззрений, при­ вычек.

Эти элементы неупорядоченности, а порой и хаотичности в раз­ витии горной геомеханики имели следствиями то, что решение не­ которых вопросов дублировалось, а других — не предпринималось вообще; сходные задачи решались по-разному, а разные задачи —

— одинаково или подобно; в постановках задач, а также— в анализе областей и условий рационального применения результатов иссле­ дований допускался зачастую произвол, искажающий суть дела; некоторые результаты (например результаты экспериментальных наблюдений) из-за несходства методик их получения было трудно сопоставимы, а часто и полностью несопоставимы.

Для возможного исправления названных и многих других не­ достатков в 1950 г. была предпринята попытка разработки единой методики исследования проявлений горного давления в очистных выработках угольных шахт [13], в том числе, при применении ме­ ханизированных крепей [52]. В 60-х гг. была разработана общая методика комплексного изучения вопросов горного давления в ус­ ловиях Кузбасса; в связи с углублением горных работ [49]. В этих документах авторы старались, не стесняя индивидуальности и твор­ ческой инициативы исследователей, дать некоторые единые общие рекомендации относительно выбора и постановки задач, использо­

9

вания выработанных представлений и применения определенных ком­ плексов исследовательских методов в качестве программы-минимум исследовательских работ по горной геомеханике.

На основании рассмотрения ряда отзывов, решений координа­ ционных совещаний и анализа результатов обзоров горногеомеха-' нических работ есть основания утверждать, что опубликованные методические рекомендации способствовали упорядочению исследо­ ваний и повышению их качества.

Вцелях дальнейшего совершенствования предпринят новый пе­ ресмотр общих методических положений горной геомеханики.

Вразработанном ВНИМИ при широком участии научной общест­ венности документе «Общих методических положениях» (Общей методике комплексного исследования проблем горной геомеханики) представлена совокупность методов решения задач данной научной дисциплины и указаний по их постановке, обеспечению их необхо­ димым комплексом исходных данных, техническому выполнению ре­ шения, обработке и анализу результатов исследования, определению области и условий эффективного приложения этих результатов.

Комплексность методики состоит в гармоническом сочетании на­ турных, лабораторных и аналитических методов, взаимодополняю­ щих и взаимопроверяющих получаемые решения (рис. 1). Методи­ ка содержит только основополагающие рекомендации в помощь ис­ следователям различных проблем механики горных пород, а не де­ тализацию методических рецептов. Она имеет главной целью способ­ ствовать правильной организации научных исследований в направ­ лениях обеспечения их актуальности, полноты, правильной поста­ новки, рациональной последовательности, возможного методическо­ го совершенства, сопоставимости и практической приложимости ре­ зультатов. Она не исключает, но, наоборот, предполагает обяза­ тельную разработку частных, конкретных методик, отражающих специфику уеяовий определенной проблемы или задачи и выражаю­ щих полную инициативу исследователя в разработке новых и при­ влечении существующих любых рациональных исследовательских методов и средств. Она не рассматривает совокупность имеющихся научных методов как стабильную неизменяемую систему, но, наобо­ рот, является стимулирующим началом для непрерывного совершен­ ствования известных и создания новых, более мощных, точных и шире применимых исследовательских методов.

Данная методика содержит ряд определяющих методических указаний, выполнение которых является обязательным во всех или в некоторых (специально оговариваемых) условиях. Например, если крепь работает в режиме взаимовлияющей деформации пород и крепи, в разделе натурных исследований предлагается производить совместное определение смещений, деформаций пород и нагрузок на крепь.

10