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

крытий [28]. Измерение относительной разности хода поляризо­ ванных лучей в фотоупругом покрытии производится специаль­ ными приборами— полярископами одностороннего действия. Для этой цели может быть использован портативный полярископ кон­ струкции ВНИМИ — ИГД им. А. А. Скочинского; полярископ по­ зволяет фиксировать деформации с точностью 2*10~5 при помощи компенсатора КПКДля дистанционных измерений деформаций на поверхности крепи широкое распространение получили струнные

накладные деформометры.

К их числу относятся 1Д26 (ВНИМИ), который на базе 80 мм обеспечивает чувствительность 2*1СГ4; 2Д—34 (ВНИМИ), имеющий измерительную базу 100 мм и чувствительность 2*10-4 [114]; типа ТН (Гидропроект) с базой 75, 100 и 150 мм.

Отсчет показаний производится при помощи струнной станции ССМ—2, СБ—6 (ВНИМИ), ИС—5 конструкции Гидропроект и др.

Измерение деформации внутри бетонной крепи осуществляется закладными телетензометрами струнного типа (рис. 22). Наиболее употребляемые из них конструкции ВНИИГ [93].

Размещаются телетензометры в бетонной крепи группами с ориентировкой в трех взаимноперпендикулярных направлениях.

С целью выделения из общих деформаций бетона, фиксируемых телетензометрами, деформаций, связанных с усадкой и разбуха­

нием, используются специальные контрольные телетензометры, ко­ торые располагаются в непосредственной близости от рабочих и защищают их от действия внешних нагрузок.

Контрольные телетензометры регистрируют сумму свободных объемных деформаций бетона, которые затем учитываются при определении деформаций бетона под действием внешних нагрузок.

Измерение податливости стоек крепи может осуществляться с помощью мерных линеек, телескопических стоек СУ—2 и СУИ—2 и др.

Измерение смещений и деформаций крепи горных выработок осуществляется с помощью телескопических стоек, специальных рулеток, реостатных и импульсных датчиков, струнных деформометров на больших базах, геометрического и гидростатического ни­ велирования.

Типы используемой аппаратуры и методика ее применения при­ ведены в § 15 настоящей главы. Эти измерения должны проводиться в комплексе с измерениями смещений и деформаций горных пород вблизи контакта с крепью. Для этой цели, как правило, используется метод глубинных реперов.

В табл. 5 представлен перечень отечественной аппаратуры (на базе струнной тензометрии), применяемый при натурных ис­ следованиях проявлений, горного давления.

150

ности давлений на мощных крутых пластах Кузбасса. «Физико-техни­ ческие проблемы разработки полезных ископаемых», 1967, № 2.

ботке тонких и средней мощности угольных пластов наклонного и кру­ того падения. Кемеровск. книж. изд-во, 1967.

8. В а т у т и н С. А. Ш а м а н с к а я А. Т. Исследование напряжен­ ного состояния массива горных пород методом разгрузки в условиях Таштагольского железорудного месторождения. «Физико-техниче­ ские проблемы разработки полезных ископаемых», 1965, № 2.

9. Б и л и к Ш. М. Приборы и аппаратура для исследований прояв­

предельного состояния конструктивных элементов камерных систем разработки. Автореферат диссертации. Криворожский горнорудный институт, 1966.

электрического сопротивления в образцах горных пород при всесто­ роннем давлении до 1000 к г \с м 2 . Изв. АН СССР, серия геофизическая,

1960, № 7.

13. Вопросы методики исследования горного давления в капиталь­ ных и подготовительных выработках. Труды ВНИМИ, сб. 65, Л., 1966.

трещиноватости в кровле пласта. Сб. «Технология и экономика угледо­

ний горного давления в очистных выработках при новых видах крепей. Госгортехнздат, 1960.

151

21. Доклады Всесоюзной конференции по механике горных пород. Изд. Кольск. филиала АН СССР, Апатиты, 1970.

22. Е р о ф е е в Л. М. и др. Измерение горного давления в капи­ тальных горизонтальных горных выработках. «Шахтное строительство», 1966, № 12.

23.За ел а в е к и А Ю. 3. Исследование проявлений горного дав­ ления в капитальных выработках глубоких шахт Донецкого бассейна. Изд. «Недра», М., 1966.

24.З а х а р о в В. И. Прибор для исследования проявления горного давления. Труды КузНИУИ, сб. 17, Прокопьевск, 1967.

26.Измедение напряжений в массиве горных пород. Сб. изд. «Наука» СО АН СССР, Новосибирск, 1970.

27.Изучение напряженного состояния массиве» пород в инже­ нерно-геологических целях. Изд. МГУ, М., 1968.

28.Инструкция по измерению напряжения и нагрузок на металли­ ческие крепи горных выработок с помощью фотоупругих покрытий. Изд. ИГД им. А. А. Скочинского, М., 1968.

рения углов наклона элементов механизированных крепей. Сб. «Горные машины и автоматика», № 11, «Недра», М., 1967.

33. К о в р и ж н н и др. Механический динамометр МСД—3 для замеров нагрузок на стоечную крепь. Сб. «Вопросы горного давления», Выпуск 19, Новосибирск, 1963.

34. К о р а б л е в А. А. Современные методы и приборы для изу­ чения напряженного состояния массива горных пород. «Наука», М., 1969.

35. Краткое описание маркшейдерских приборов, разработанных ВНИМИ. Изд. ВНИМИ, Л., 1958.

36. К р у п е н н и к о в Г. А. и др. Взаимодействие массивов гор­ ных пород с крепью вертикальных выработок. Изд-во «Недра», 1966.

37. К у з н е ц о в Г. Н., С л о б о д о в М. А. Определение методом разгрузки напряжений, действующих в междукамерных целиках ка­ менной соли Артемовских рудников. Труды ВНИМИ, сб. 22, Углетехиздат, 1950.

38. Л и о г е н ьк и й С. Я- Применение электрометрии к изучению некоторых вопросов напряженного состояния горных пород. Труды ВНИМИ, сб. 62, Л., 1961.

39. М а н ь к о в В. Н. Исследование напряженного состояния гор­ ных пород в массиве акустическими методами. В кн. «Межвузовский сборник Западно-Сибирского Совета по координации и планированию научно-исследовательских работ по технике и естественным наукам, вып. 5, Кемерово, 1966.

40. М е д в е д е в С. В. Сейсмика горных взрывов. «Недра», 1964.

41. Методы и приборы для изучения горного давления. «Недра»,

М..1964.

152

42.Методы и приборы тензометрии. ГОСИНТИ, М., 1964.

43.М у с и н А. Ч. и др. Применение микросейсмического метода

для исследования массива горных пород. Госгортехиздат, М., 1962. 44. Н е с т е р е н к о Г. Т. Методика и некоторые результаты иссле­ дований параметров камерно-столбовой системы разработки. Сб. «Ме­ тоды определения размеров опорных целиков и потолочин». Изд-во,

АН СССР, 1962.

45. Н е с т е р е н к о Г. Т., С к о з о б ц о в Б. С. Эффективный метод изучения расслоений пород кровли очистных камер. Бюллетень «Цвет­ ная металлургия», 1965, № 3.

46. Н е с т е р е и к о Г. Т. Методы и приборы, разработанные руд­ ной лабораторией для исследования сдвижения горных пород и прояв­ лений горного давления. Труды ВНИМИ, сб. 66, Л., 1966.

47. Н е с т е р е н к о Г. Т. и др. Совершенствование метода разгруз­ ки для определения напряжений в крепких трещиноватых породах. Труды ВНИМИ, сб. 62, 1966.

48. Н е с т е р е н к о Г. Т. и др. Исследование напряженного состоя­ ния арматуры железобетонных штанг, устанавливаемых в кровле очистных камер. «Горный журнал», 1967, № 3.

49. Н е с т е р е н к о Г. Т., Се в а с т ь я н о в Б. Н. Исследование сейсмического влияния взрывов на подземные горные выработки. Тру­ ды ВНИМИ, сб. 62, 1966.

50. Н е с т е р е н к о Г. Т. Вклад рудного отдела в совершенство­ вание методов исследования сдвижных горных пород и проявлений горного давления при разработке рудных месторождений. Труды

глубинных реперов для изучения сдвижения и деформации горных пород в массиве. «Недра», М., 1967.

рение комплекса мер борьбы с ними на шахтах СССР. Tpyitfu ВНИМИ, сб. 76, 1970.

57. П о п о в В. Л., Кац н е л ь с о н А. Ш. Методика и аппаратура

тензометрических измерений на механизированных крепях в шахтных условиях. Труды ПНИУИ, сб. 7, Госгортехиздат- М, 1963.

58.Приборы для исследования проявлений горного давления. Тру­ ды ВНИМИ, сб. 66, Л., 1966.

59.Приборы и оборудование, применяемые для исследования гор­ ного давления. Сб. Вопросы горного давления, вып. 11, Изд. СО АН

СССР, Н овоси би рск , 1962.

60.Применение сейсмоакустических методов в горном деле «Нау­ ка», М., 1964.

61.Рекомендации по измерению давлений на контакте сооруже­ ний с грунтом, НИИСК, Госстрой, Киев, 1966.

153

подземной разработке железорудных месторождений Криворожского бассейна. Автореферат диссертации. Московский геологоразведочный институт им. С. Орджоникидзе, 1966.

64. Р и з н и ч е н к о Ю. В. и др. Сейсмоакустнческие методы изу­ чения напряженного состояния горных пород на образцах и в массиве. Труды ГеоФИАН, вып. 34, изд. АН СССР, 1956.

65. Р у д а к о в М. А. и др. Определение деформаций налегающих пород на шахте «Первомайская». Труды ИГД Минчермета, вып. 12, «Недра», 1966.

66. Р у д н е в Л. Н., Ш е х о в ц е в Г. А. Состояние и возможные пути развития методов съемки недоступных очистных камер. Труды ВНИМИ, сб. 62, Л., 1966.

67. Ру з г а 3. Электрические тензометры сопротивления. Изд. «Мир», М., 1964.

68.Руководство по измерению изменений напряжений в угольном массиве скважинными гидравлическими датчиками. ИГД СО АН СССР,

Новосибирск, 1969.

69.Руководство по измерению напряжений в крепких горных породах методом частичной разгрузки. ИГД Минчермета СССР, Сверд­ ловск, 1969.

70.Руководство по измерению напряжений во времени с помо­ щью фотоупругих датчике». ИГД Минчермета СССР, Свердловск, 1969.

71.Руководство по применению метода буровых скважин для опре­ деления напряжений в осадочных горных породах, ИГД, СО АН СССР,

Новосибирск, 1969.

72.Руководство по применению метода разгрузки для определения напряженного состояния в глубине горных массивов на породах сла­ бой и средней прочности. Изд. ВНИМИ, 1965.

73.Руководство по применению метода разгрузки керна с цен­ тральной скважиной для определения напряжений в осадочных горных породах, ИГД СО АН СССР, Новосибирск, 1969.

74.Руководство по съемке нарезных и очистных выработок. Изд. ВНИМИ, Л., 1960.

75. Р у л е й Б. Г., Х а р и н Д. А. Сейсмографы для регистрации больших перемещений. Труды ин-та физики Земли АН СССР, № 16 (176) 1961.

76. С а в и ч А. И. и др. Сейсмоакустическне методы изучения мас­ сивов скальных пород. «Недра», М., 1969.

77. С а м о х в а л о в Ю. Л. Новые самопишущие приборы для ис­ следования гидроцифированных крепей. Научные сообщения ИГД им. А. А. Скочинского, 25, «Недра», 1965.

78. С а ш у р и и А. Д. Исследования по совершенствованию методов измерения напряжений в крепких горных породах. Автореферат дис­

слоистых трещиноватых пород кровли при разработке пластообразных рудных залежей системами с открытым очистным пространством. Авто­

клономерный методы исследования горных ударов. Сб. «Геофизическое приборостроение», вып. 14, Гостоптехнздат, 1962.

154

и деформаций методом фагоупругих покрытий. Изд. «Наука», М., 1966.

сиве горных пород методом разгрузки с применением фотоупругих покрытий. «Физико-технические проблемы разработки полезных иско­

пасные и взрывобезопасные тензометрические приборы. Госгортехиздат, 1961.

91. Ф а м и н Л. Б., Б о й к о Г. И. Инструментальные наблюдения за напряженным состоянием призабойной зоны выбросоопасных плас­ тов разрабатываемых с предварительной отработкой защитных пла­ стов. Сб. Технология и экономика угледобычи, вып. 12, 1963.

к симпозиуму «Экспериментальные исследования инженерных соору­

deformation gauge for the determination of in-situ stresses in rock mas­

100.L e e m a n E. R. The borehole deformation type of rock stress measuring instrument. Int. J. Rock Mech. and Mining Sci.V, 1967, v. 4, № 1.

101.Measurement of in-situ rock stresses-Civil Eng. and Public

Eng.», 1956, № 5.

155

Г л а в а V

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АНАЛИТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВОПРОСОВ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ

$ 18. Общие положения

Аналитические методы имеют целью логико-математическое оты­ скание и выражение в математической форме объективных законо­ мерностей механических процессов, происходящих в массивах гор­ ных пород и связанных с ними инженерных сооружениях под влия­ нием различных воздействий естественного или производственного происхождения [1, 19, 25, 55 и др.].

Под выражением закономерностей в математической форме имеются в виду различные виды описания характеризующих их за­ висимостей: функциональные или корреляционные, численные (таб­ личные), графические, смешанные. Слово «аналитический» здесь по­ нимается в широком смысле, как относящийся вообще к разработке приемов вычислений. * Сюда же относятся и вероятностно-статисти­ ческие методы. Аналитические исследования часто называются «теоретическими», а соответствующие постановки задач, расчетные методики и результаты исследований именуются «теорией» вопроса. Подобная двойственная терминология должна быть исключена как ненужная и неверная. Определение теории горной геомеханики

[26, 29] ясно показывает, что теория охватывает всю совокуп­ ность идей, методов, результатов и приложений данной дисцип­ лины и не тождественна никакой своей части, в том числе и анали­ тической.

Отыскание аналитического выражения закономерностей горной геомеханики обычно производится путем приложения общих мето­ дов определенной отрасли механики к решению горногеомеханически^ задач для специфических механических систем (горных пород; инженерных сооружений или их элементов; видов механи­ ческих воздействий на эти системы) с определенными заданными геометрическими и физическими характеристиками [30, 49 и др.].

Представление в аналитической форме закономерностей меха­ ники горных пород имеет значительные преимущества в смысле полноты и общности выражаемых зависимостей, а также удобства пользования ими. Поэтому в тех случаях, когда это выполнимо и

♦ Численные методы математического анализа входят в виде со­ ставной части в аналитические методы. Их не следует противопостав­ лять последним или выделять в обособленный раздел.

157

когда результаты аналитических исследований достаточно надежны, им следует отдавать предпочтение, в сравнении, например, с резуль­ татами чисто экспериментальных исследований. Даже при наи­ более совершенных комплексных исследованиях проблем горной гео­ механики, рационально сочетающих их аналитические и экспери­ ментальные компоненты, в завершающей части следует стремиться к выражению в математической форме всех численных зависимо­ стей, которые поддаются такому выражению.

Отрасли механики (или физики) и математики, применяемые для аналитического исследования проблем механики горных пород, сравнительно разнообразны. Это зависит от того, какое физическое тело представляет собой массив горных пород, каково его исход­ ное состояние; какого рода воздействиям он подвергается и реше­ ние какой задачи поставлено перед исследователем.

В большинстве случаев используются методы механики сплош­ ной среды [60], методы механики дискретной среды [23, 30], ве­ роятностно-статистические [56, 62, 67 и др.], а также различные инженерные методы [7, 32, 47 и др.].

В литературе имеется значительное количество отечественных и зарубежных работ, посвященных аналитическим исследованиям, непосредственно из области горной геомеханики или выполненных с другими целями, но могущих быть применимыми для решения горногеомеханических задач. Общее число источников, излагающих эти исследования, рассмотренных и проанализированных к настоя­ щему моменту в печати [2, И, 28, 42] превышает 1500. Многие работы содержат, правда, повторяющиеся элементы: задачи, ме­ тодики и результаты; тем не менее отличных друг от друга иссле­ дованных задач насчитывается около 600. Подавляющее большин­ ство этих задач решено методами механики сплошной среды.

Анализ выполненных исследований показывает, что они отли­ чаются большим разнообразием и зачастую весьма сложны.

Поэтому невозможна формулировка каких-либо единых реко­ мендаций, которые сводили бы роль исследователя к роли механи­ ческого исполнителя, пусть трудоемких и многочисленных, но га­ рантирующих итоговые решения операций.

В связи с этим, в пределах общей методики могут быть выска­ заны лишь принципиальные методические положения и рекомен­ дации, а также в общих чертах охарактеризованы применяемые методы и специфика их применения.

§ 19. Некоторые соображения по. постановке и проведению исследования

Выполнение того или иного аналитического исследования за­ дач горной геомеханики целесообразно проводить в следующем порядке:

158

В подготовительной стадии проводится подробное изучение ли­ тературных источников, выполняется полный анализ состояния вопроса применительно к особенностям рассматриваемой задачи и в соответствии с рекомендациями главы I. Это позволяет нахо­ дить близкие решения и либо непосредственно применить их, либо улучшить и приспособить к данному вопросу, либо, наконец, убе­ диться в том, что аналогичная задача ранее не рассматривалась в связи с чем необходимо предпринять ее постановку *, наметить методику и расчетную схему решения.

При анализе вопроса, предваряющем постановку задачи, дол­ жны быть выяснены:

целевая направленность задачи (назначение, техническая ак­ туальность, народнохозяйственная значимость и приложимость ре­ зультатов исследования);

искомые и заданные, главные и второстепенные объекты иссле­ дования (зависимости, величины, их точность и надежность; ха­ рактеристика основных черт механизма процессов, явлений; влия­ ющие факторы);

примерная или предварительная методика решения задачи; комплекс исходных данных, оценка их необходимости, доста­

точности и независимости; возможные рациональные упрощающие допущения.

Последнее обстоятельство не только облегчает исследование, сохраняя его актуальность, но зачастую вообще предопределяет саму математическую разрешимость задачи и область применения результатов ее решения. Главное здесь заключается в рассмотре­ нии возможностей разностороннего снижения многофакторности условий задачи (многокомпонентное™ зависимостей). Допущения могут касаться таких элементов как идеализация форм объектов, мест их расположения, физической природы сред, временных за­ висимостей и т. п. При прочих равных условиях двухмерная задача проще трехмерной; односвязная — двухили трехсвязной; одно­ родная— неоднородной, статическая — динамической или реологи­ ческой; симметрическая — асимметрической и т. д. Исследователи не должны быть ограничены требованиями чрезмерной простоты исследования; во главу угла должен быть заложен принцип пра­ вильности решения, соответствующий достаточно полному отраже­ нию существенных реальных условий и механико-математической корректности.

* Под постановкой задачи понимается такая ее формулировка, в которой определена цель исследования, названы искомые объекты и все необходимые данные, при наличии которых задача может быть оп­ ределенно решена.

159