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

Вместе с тем, в «Общих методических положениях» имеется много рекомендаций, которые исследователь обязан рассмотреть и учесть, но этот учет совершенно не означает безоговорочное их принятие, а означает необходимость обоснованного использования и развития одних, отклонения других, а также внесения, в случае возможности, новых, более совершенных элементов. Например, если в распоряже­ нии исследователя имеется прибор, который превосходит по точности, долговечности, неповреждаемости или доступности прибор, рекомен­ дуемый методикой, и при этом вполне отвечает по назначению и ха­ рактеристике задачам проводимого исследования, — мотивирован­ ная замена рекомендуемого прибора более совершенным не только возможна, но и целесообразна. Это же относится и ко многим дру­ гим рекомендациям, которым на смену впоследствии явились более простые, точные, прогрессивные методики, приемы, схемы. Наиболее важно здесь то, что такие уклонения от рекомендаций должны быть целесообразны, хорошо обоснованы, а результаты исследований дол­ жны быть сопоставимыми с результатами, полученными другими методами. Так, в частности, всегда следует четко описывать меха­ нические характеристики крепи и измерительных приборов, особенно если измерения проводятся в условиях взаимовлияющей деформа­ ции, где жесткость аппаратуры может повлиять на показания при­ боров.

Не для всех горногеомеханических задач и не для всех условий существуют одинаково простые, надежные и проверенные методы исследования, которые к тому же находятся в распоряжении каждо­ го специалиста. Есть задачи и условия, требующие длительных, сложных и тонких исследований, иногда — уникальной аппаратуры или установок, постановки специальных поисковых научно-исследо­ вательских работ в специализированных институтах.

Для условий такого рода «Общие методические положения» со­ держат не изложение рецептуры подобных исследований, а прин­ ципиальное разъяснение их специфики со ссылками на литературу, освещающую эти вопросы, и на организации, где имеется соот­ ветствующий научно-методический арсенал и куда надлежит обра­ щаться за консультацией и помощью.

Относительно принципиальных и существенных задач, методика исследования которых еще неясна, здесь приводятся указания о постановке и направлениях соответствующих исследований и о спо­ собах приближенной грубой оценки подобных явлений, возможной

внастоящее время (без проведения специальных исследований). Далее целесообразно высказать несколько соображений, отно­

сящихся к практическим вопросам предпостановочного и завершаю­ щего анализа информации, а также планирования, координации и внедрения результатов научных работе данной области.

12

Сложность и изменчивость природы горногеомеханических объ­ ектов требуют от исследователей чрезвычайно внимательного и обоснованного отношения к постановке, подготовке, выполнению исследований и использованию их результатов при решении прак­ тических задач.

В тех случаях, когда исследование предпринимается по инициа­ тиве будущих потребителей (проектировщиков, шахтостроителей, эксплуатационников, инспекции) последние должны четко выска­

зать свои требования к исследованию, сообщить, какие именно све­ дения и в какой форме им нужны и как они намерены их использо­ вать после получения. Они должны также предоставить в распоря­ жение исследователей всю имеющуюся у них информацию о пред­ мете исследования и оказывать исследователям содействие в полу­ чении недостающих данных, в том числе и таких, которые требуют проведения специальных экспериментальных работ (например, све­ дений о механических свойствах породного массива). Как при по­ становке, так и при проведении исследований необходим тесный контакт и консультации между теми, кто решает задачу и теми, кто будет использовать результат решения как элемент, способствую­ щий техническому прогрессу горнодобывающей промышленности

В случае, если исследование предпринято по инициативе научноисследовательской организат1л, формулирование вопросов, опреде­ ление направлений и использования результатов осуществляет она. Однако помощь будущего потребителя в постановке задач, согла­ совании методик/получении имеющейся информации и выполнении исследования, а в дальнейшем — и во внедрении его результатов в промышленность, остается необходимой в полной мере.

После того, как цель исследования и порядок использования его результатов достаточно выяснены и согласованы с заинтересован­ ными организациями, планируется, методически разрабатывается и осуществляется само исследование.

В зависимости от характера целей исследования и от рода рассматриваемых объектов во всех этих работах следует руковод­ ствоваться соответствующими рекомендациями раздела II настоя­ щих «Общих методических положений.»

При подготовке и проведении исследований механических свой­ ств пород, а также лабораторных, натурных и аналитических иссле­ дований надлежит пользоваться конкретными рекомендациями раз­ дела I.

В комплексных горногеомеханических исследованиях выделяются следующие основные этапы:

Первый (подготовительный) этап исследования.

1. После установления основной цели исследования и перспектив использования его результатов должны быть намечены предваритель­ ные очертания области и условий их рационального применения в

13

теории горной геомеханики и в практике управления механическими процессами в массивах горных пород. Одним из важнейших условий успешного исследования является ясное понимание исполнителями того, как и где будут использоваться полученные ими данные и, следовательно, какими в смысле полноты, надежности, точности они должны быть. В соответствии с этим предварительно опреде­ ляется общий перечень вопросов, которые должны быть решены. Устанавливаются формы представления результатов исследования, требования к их точности и надежности, состав и объем необходимых для этого исходных данных. Рассматривается общая совокупность естественных и производственных факторов, влияющих на искомые объекты (величины, зависимости). В качестве примерного эталона могут быть использованы общие указания главы I и конкретные указания соответствующих специальных глав раздела И,

2.Производится сбор, рассмотрение и обсуждение имеющихся сведений о предмете исследования: литературных источников, дан­ ных производственного опыта, технической документации и других источников информации. Производятся консультации со специа­ листами.

Проводится первоначальный анализ собранных данных. Уточ­ няются ранее намеченные цели исследования, вопросы, требующие ответа, данные и искомые объекты. Осуществляется разделение влияющих факторов на главные и второстепенные, существенные и несущественные. Делается предварительная оценка степени иска­ жения результатов, возникшего от пренебрежения влиянием несу­ щественных факторов (см. гл. I).

3.После сбора и анализа имеющейся информации разрабаты­ вается план исследования. Формулируются цели исследования, изу­ чаемые объекты и используемые данные; устанавливается пере­ чень искомых параметров. Анализируется вопрос о необходимости

идостаточности имеющихся исходных данных и намечаются способы их надлежащего пополнения.

Для различных задач комплексы необходимых исходных данных могут значительно отличаться друг от друга. В качестве примерного списка общеупотребительных исходных данных для исследования

горногеомеханических. задач можно назвать следующие позиции: М е х а н и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и м а с с и в а и д р у г и х о б ъ е к т о в . Прочностные, деформационные, структурные и другие;

их надежность, разброс', точность, изменчивость в пространстве и времени. Начальные механические состояния.

Г е о м е т р и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и о б ъ е к т о в и п р о ­ ц е с с о в . Формы, размеры, характеристики расположения залежи, выработок, нарушений и других элементов массива и сооружений. Способы описания геометрических характеристик. Допускаемые уп­ рощения. Показатели изменчивости переменных объектов и их ис­ ходные (начальные) состояния.

14

Т е х н и ч е с к и е и т е х н о л о г и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и о б ъ е к т о в и п р о ц е с с о в . Схема вскрытия, способ подготовки, система разработки, способ выемки и управления горным давлением. Последовательность, способ и скорость прохождения и крепления выработок, возведения других сооружений и прочие существенные особенности процессов. Граничные и начальные условия воздейст­ вия на изучаемые объекты или взаимодействия объектов между со­ бой.

Анализ имеющейся информации и уяснение характера исследуе­ мых задач, подскажут в чем возможно сократить и чем необходимо пополнить изложенный примерный перечень.

Далее производится предварительный выбор методики исследо­ вания, после чего уже предпринимается постановка задачи (или за­ дач) исследования, состоящая, схематически, из установления сле­ дующих позиций:

—цель решения задачи;

—перечень данных и искомых параметров;

—указания о сделанных упрощениях и допущениях;

—граничные, начальные и другие характерные условия;

—описание предполагаемой методики (или методик) иссле­ дования;

—разъяснение отличительных особенностей (если они имеются).

Выбор методических приемов и средств осуществляется в соот­ ветствии с рекомендациями, изложенными в общих и специальных главах.

План исследования определяется преимущественно спецификой решаемых задач. Как правило, он должен включать: постановку задачи; состав, объем и продолжительность работы; требования к обеспечению выполнимости исследования (исходные данные, иссле­ довательские средства и т. п.); требования к обеспечению комплек­ сности исследований (взаимопроверка, взаимодополнение, сопоста­ вимость результатов и т. п.); требования к виду представляемых материалов и характеру их использования; указания о предполо­ жительной области и условиях применения результатов исследова­ ния; соображения о технико-экономической эффективности внедре­ ния результатов исследований.

Второй (центральный) этап исследования.

1.. Обследования предмета исследования в натуре (если это пред­ ставляется возможным). Проверка совокупности предположений, сделанных по материалам первого этапа и внесение, в случае необ­ ходимости, коррективов в постановку задач, первоначальную ме­ тодику их исследование и другие позиции.

Разработка окончательных (где это возможно) и гипотетических (нуждающихся в проверке) частных рекомендаций в сфере иссле­ дуемых вопросов, на основании результатов обследования. Первое уточнение плайа исследования, выработанного заранее (на первом этапе).

15

2.Проведение лабораторных опытов, натурных кратковремен­ ных и длительных наблюдений в соответствующей обстановке, ана­ литических расчетов, а также специальных шахтных экспериментов. Документирование обстановки и результатов наблюдений за эле­ ментами механических процессов перемещения, деформирования, разрушения и взаимодействия горных пород между собой и с инженер­ ными сооружениями. Фиксация места, времени, обстановки прояв­ ления горного давления (подробно, с размерными эскизами выра­ боток, целиков, расположения приборов, характеристиками свойств пород) и описание методики наблюдений, применяемой аппаратуры (характеристики измеряемых величин, диапазонов измерения, чувст­ вительности, точности, жесткости, установочного режима приборов

ит. п.). Перечисление результатов наблюдений с примечаниями во всех отличных от нормы случаях.

3.Обработка (в соответствии с рекомендациями «Общих мето­ дических положений» и дополнительными соображениями исследо­ вателя) результатов обследования, кратковременных и длительных интрументальных натурных наблюдений, лабораторных опытов и горных экспериментов на сопоставимой основе. Примерный аналити­ ческий расчет вариантов для типичных характеристик упрощенных условий (если соответствующая задача аналитически решена).

Придание результатам исследования, по возможности, сопоста­ вимой формы, например: область распространения и диапазоны влияния; участки роста и уменьшения, выпуклости и вогнутости; экстремальные и особые точки (разрыва непрерывности, угловые, изолированные, возврата и т. д.). Применение, в меру возможности, статистических методов обработки. Характеристики законов распре­ деления, средних, наибольших и наименьших (наблюденных и вы­ численных) величин, меры рассеяния статистических рядов. Дове­ рительные интервалы для больших и для малых чисел вариант. Графическое и математическое (эмпирическое) представление дан­ ных наблюдений. Учет прочих рекомендаций. Использование приемов, не охваченных «Общими методическими положениями», но необ­ ходимых по мнению исследователя.

Третий (заключительный) этап исследования.

На заключительном этапе исследований производится завершаю­ щий анализ всех новых материалов, полученных в итоге проведен­ ных комплексных работ и дается возможное их обобщение и науч­ ная оценка.

Хотя анализ информации должен быть не шаблонным, а спе­ цифичным и определяться родом и условиями задачи, особенностя­ ми среды, комплексом факторов, существенно влияющих на искомые величины, и многими другими обстоятельствами, однако можно высказать по поводу него некоторые общие пожелания.

16

Целесообразно искать во множестве численных результатов, от­ носящихся к некоторому изучаемому полю (например, полю напря­ жений) характерные элементы: точки, линии, поверхности и т. д., разделяющие интервалы разного поведения интересующих объектов. Этими элементами могут быть, например, граничные точки (линии, поверхности), определяющие область существования данного объекта; экстремальные точки (максимумы, минимумы), отделяющие интер­ валы возрастания от интервалов убывания показателей процесса; точки перегиба, отделяющие выпуклые от вогнутых участков кривых; точки разрыва непрерывности двух родов: при обращении функции в бесконечность или при ее конечных значениях, а также так на­ зываемые «особые» точки: узловые, угловые, возврата, изолирован­ ные и . т. п. Такого рода характерные элементы позволяют, хотя и не вполне точно, но принципиально правильно характеризовать и наглядно изображать исследуемые зависимости, а при наличии нескольких промежуточных точек — даже удовлетворять требова­ ниям точности представления закономерностей. В дальнейшем, после такого «поинтервального» анализа, можно выразить (в случае нуж­ ды) искомые закономерности в форме эмпирических зависимостей, используя интерполяционные приемы.

Втех случаях, когда ответом на поставленную задачу должно служить определенное число (например, предельный пролет кровли), окрестности данной точки исследуются особенно тщательно.

Новые материалы сопоставляются с результатами ранее выпол­ ненных исследований и данными производственного опыта. Дается объяснение и обоснование совпадений (сходимости) и отклонений. Производится сопоставление результатов, полученных всеми тремя (лабораторным, натурным и аналитическим) методами и делается заключение о правильности (принципиальном соответствии дейст­ вительности) или ошибочности принятых расчетных схем, выска­ занных гипотез и допущенных в модели упрощений. Анализируется

ивырабатывается оценка надежности полученных результатов и выполненных решений. В сомнительных случаях рекомендуются по­ верочные работы.

Любые встретившиеся уклонения от надежных решений должны проверяться, объясняться, уточняться или хотя бы подробно огова­ риваться.

Вслучае достаточной надежности результатов разрабатываются рекомендации, дающие окончательные ответы на поставленные перед исследователями вопросы и устанавливаются область и условия их рационального научного и практического применения. Производится анализ и делается оценка ожидаемой технико-экономической эффек­ тивности внедрения рекомендаций, вытекающих из исследования.

Формулируются соображения исследователей о положительных и слабых сторонах примененной в исследовании методике, о рацио­

17

нальных направлениях ее совершенствования (поскольку методика должна совершенствоваться постоянно).

Научно-исследовательский отчет, завершающий исследования, должен содержать:

1)ясные формулировки целей изадач проведенного исследования;

2)обзор и анализ состояния изученности проблемы в целом и тех

ееразделов, к которым непосредственно относится проведенное ис­ следование, с аргументацией мотивов постановки именно данной

работы;

3)четкое описание принятой и осуществленной частной методики комплексного исследования;

4)постановку задачи (или совокупности задач) аналитического, лабораторного, натурного и комплексного исследования с аргумен­ тацией их актуальности, а также мотивировкой необходимости и достаточности принятой совокупности исходных данных и правомер­ ности используемых исследовательских средств;

5)полное и отчетливое описание обстановки и последователь­ ности проведения экспериментальных (лабораторных и натурных)

наблюдений с уделением особого внимания как обстоятельствам получения закономерных результатов, так и различного рода откло­ нениям от них (особенно тем, объяснение которых не представляется очевидным);

6)систематическое и подробное изложение всех результатов вы­ полненных лабораторных, натурных и аналитических исследований;

7)мотивированное изложение принципов и результатов обра­ ботки и анализа данных лабораторных, натурных и аналитических исследований, комплексного их рассмотрения, синтеза и обобще­ ния. Выделение новых, важных в теоретическом или в практи­ ческом плане результатов комплексного исследования. Анализ воп­ роса надежности результатов исследования;

8)определение основных направлений, области и условий ра­ ционального практического применения существенных результатов выполненного исследования. Разработка рекомендаций по научно­ му использованию и внедрению в промышленность всех результа­ тов, допускающих такое непосредственное применение;

9)определение научно-технической и ориентировочной эконо­ мической эффективности внедрения результатов исследования в про­ мышленности;

10)рекомендации по дальнейшему развитию исследований, реше­ нию новых задач, проведению проверочных опытов, промышленных испытаний, опытного внедрения и т. п. перспективных мероприятий;

11)соображения об элементах работы, заслуживающих спе­ циального обсуждения, публикации и других форм доведения до сведения заинтересованных организаций и отдельных исследовате­ лей;

18

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. МЕТОДЫ ЛАБОРАТОРНОГО, НАТУРНОГО И АНАЛИТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРНОГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Г л а в а I

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЯХ, ЗАДАЧАХ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ МЕТОДАХ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ

В горной геомеханике, как и в любой другой науке, есть свои специфические черты, предопределяющие ее сущность, значение, место среди других наук. Обычно, эта специфика отражается в ха­ рактеристике множества изучаемых данной наукой объектов, в конечных преследуемых ею целях; в решаемых задачах, в практи­ ческих приложениях результатов их решения.

Эти понятия должны быть выяснены хотя бы. в общих чертах для определенности последующего изложения.

Основными объектами, фигурирующими в горногеомеханических исследованиях являются:

—массив горных пород;

—горные выработки;

—механические явления и процессы вызываемые в массиве гор­ ных пород определенными естественными или искусственными воз­ действиями;

—основные факторы, влияющие на механические свойства мас­ сива горных пород и механические процессы в нем при различных воздействиях на массив;

—средства регулируемого инженерного воздействия на массивы горных пород с целью направленного изменения их свойств и состоя­ ний.

$ 1. Массив горных пород и горные выработки

Массив горных пород. Массив горных пород (участок земной коры, ограниченный определенными поверхностями) является основ­ ным предметом изучения горной геомеханики, поскольку рассматри­ ваемые в ней механические процессы протекают в глубине массива или у его границ. Поэтому достаточно полные, точные и удобные

20