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

Если взять, к примеру, аналитические методы исследования (на­ пример, методы механики сплошной среды), то надо заранее пом­ нить, что с их помощью пока не представляется возможным (за исключением простейших случаев) решать задачи для: объемных, многосвязных, неоднородных и частично разрушенных областей, а также динамических и реологических процессов в объемных телах.

Такие , задачи следует решать с помощью экспериментальных (натурные или лабораторные) методов. Результаты же эксперимен­ тальных исследований особенно, для многокомпонентных задач, на­ дежно справедливы только для условий достаточно близких к тем, в которых они получены. Поэтому, при чисто экспериментальных исследованиях обобщение и распространение результатов исследодования на условия, отличные от условий эксперимента превра­ щаются в трудноразрешимую проблему.

В таких случаях целесообразно совместно применять аналити­ ческий и экспериментальный методы исследования с таким расчетом, чтобы получитр решение задачи и, по возможности, обобщить его для рационального применения.

Можно отметить следующие виды комплексного использования экспериментальных данных и аналитических решений:

а) использование функциональных механических характеристик пород в аналитическом решении;

б) корректировка аналитического решения экспериментальными данными;

в) построение аналитического решения путем использования экспериментальных данных в качестве граничных, начальных или изменяющихся во времени условий.

Наглядным примером «объединения» методов может служить следующий случай из практики исследований. Расчет равномерно нагруженной крепи круглого ствола на протяженных участках аналитически выполняется просто. Для участков на сопряжениях ствола с околоствольными выработками решение не получено. На­ рушения крепи наблюдались, главным образом, именно на этих участках. Исследователями [36] был применен поляризационно­ оптический метод, показавший, что коэффициент концентрации на­ пряжений в наиболее опасной точке крепи в последнем случае от 1,5 до 2 раз превышает такой коэффициент в первом случае. Этот результат объяснил причину частой повреждаемости крепи и дал основание для составления расчетной формулы, которая является формулой «аналитико-экспериментального» или комплексного проис­ хождения, практически применимой для расчета крепи на сопряже­ ниях в условиях объемного напряженного состояния.

Иногда комплексная методика применяется для выявления и учета различных аномальных ситуаций в работе исследуемой меха­ нической системы. В других случаях с помощью ее удается под­

40

твердить, отвергнуть или уточнить принятую расчетную схему ис­ следуемого явления или ход и окончательный результат исследования. Наконец, в широком аспекте комплексная методика служит для повышения надежности результата решения (вместо однократного — трехкратное исследование с совпадающими или близкими резуль­ татами).

ники сводятся к следующему:

1.Ликвидируется представление о «неразрешимости» ряда задач горной геомеханики: Речь может идти только об относитель­ ной трудоемкости их решения; это справедливо для любых мыслимых сейчас задач.

2.Обеспечивается получение более полной и широкой инфор­ мации об изучаемом предмете * и установление более полной и правильной расчетной схемы (если намечается аналитическая ха­ рактеристика закономерности) или принципиальной схемы (если ог­ раничиться логико-экспериментальным завершением исследования) явления. В этом отношении играет важную роль эксперименталь­ ный (особенно натурный) компонент методики. В частности, обес­ печивается возможность для обоснованного принятия (или непри­ нятия) упрощающих допущений, гипотез и их убедительной моти­ вировки.

3.Выявляются отдельные уклонения от общей закономерности,

итаким образом, обнаруживаются сомнительные точки или условия, для которых явление должно быть доисследовано или которые долж­ ны быть хотя бы оговорены.

4.Облегчается формулирование и применение вероятных гипо­ тез, упрощающих дальнейшее как аналитическое, так и эксперимен­ тальное исследование явления.

5.Обеспечивается взаимодополнение, взаимосвязь, взаимокон­ троль частных результатов, полученных методами-компонентами.

Комплексная методика требует тщательного планирования ис­ следования, в части его подготовки, проведения и анализа резуль­ татов. Главное требование — взаимосогласованность целей, задач, изучаемых объектов и условий, исходных данных, норм точности и т. п. Необходимо обеспечение (возможно, при условии пересчета) сопоставимости одноименных результатов. Все планирование ис­ следования должно осуществляться на основе предварительного

анализа условий задачи, возможностей и условий применения к ней

* Так как освещаются различные стороны, разные черты и проявле­ ния особенностей процесса или явления, причем делается это разными методами и с разных точек зрения.

41

каждого из методов-компонентов и комплексной методики в целом. Уже в процессе планирования исследования должны про­ думываться стадия внедрения его результатов.

§5. Главные области научного и практического приложения результатов исследования проблем горной геомеханики

Результаты исследования задач горной геомеханики исполь­ зуются в ряде отраслей человеческого знания: в горной науке и практике; в строительном деле; в инженерной геологии; в некоторых других науках и отраслях промышленности.

Основной областью приложения горной геомеханики является горная промышленность [64, 14, 4 и др.]. Здесь горная геомеханика играет основную роль. Она непосредственно определяет теорию и практику «управления горным давлением» и, кроме того, исполь­ зуется при расчете и осуществлении механических процессов отде­ ления полезных ископаемых от массива, т. е. при выемке полезных ископаемых.

Конкретные проблемы, в которых приложение горной геомеха­ ники является определяющим или весьма существенным, это:

1. П о в ы ш е н и е б е з о п а с н о с т и р а б о т по у п р а в л е ­ нию г о р н ы м д а в л е н и е м за счет усовершенствования способов крепления, повышения эффективности борьбы с горными ударами, внезапными выбросами угля и газа, прорывами глин и вод в выра­ ботки, оползнями бортов карьеров и отвалов, естественных склонов и другими опасными явлениями.

2. П о в ы ш е н и е п р о и з в о д и т е л ь н о с т и т р у д а за счет механизации тяжелых и трудоемких работ по управлению горным давлением, облегчения добычи полезных ископаемых, сокращения расхода труда и материалов на работы по креплению, ремонту и восстановлению выработок и других объектов, обеспечения оптималь­ ной полноты выемки, ликвидации простоев и непроизводительных работ, повышения удобства работ.

3. С о к р а щ е н и е п о т е р ь п о д г о т о в л е н н ы х к в ы е м к е

и эксплуатации месторождений (в том числе охраны ответственных объектов).

4. П о в ы ш е н и е к у л ь т у р ы , т е х н и к и и т е х н о л о г и и и, к а к с л е д с т в и е , н а д е ж н о с т и г о р н ы х р а б о т на основе вы­ работки правильных представлений о природе механических явле­ ний и рационального управления ими.

Технико-экономическая эффективность горногеомеханических ис­ следований определяется объемами и условиями внедрения выра­

42

ботанных рекомендаций, а также степенью их прогрессивности. Так как технический эффект выражается в таких важных показа­ телях, как надежность, безопасность и производительность труда в горнодобывающей промышленности, то экономический эффект бывает

давлением при разработке наклонных и крутых пластов. М., «Нед­ ра», 167.

7. Б а р а н о в с к и й В. И. Влияние природных факторов на вы­ бор способов разработки угольных пластов на глубоких горизонтах.

следования проявлений горного давления в очистных выработках угольных шахт. «Уголь», 1951, № 2.

16.Вопросы теории горного давления. Сб. переводов М., Госгортех­ издат, 1960.

17.Всесоюзное совещание по механике горных пород и горному дав­ лению, 1968. Тезисы докладов, Новосибирск. 1968.

18.Горная геомеханика. Большая советская энциклопедия. 3 изд.,

1970.

19.Горное давление (тексты докладов н сообщений, прочитанных на Всесоюзном научном совещании в 1964 г.) Труды ВНИМИ, сб. 59, Л., 1965.

20.Горное давление на мощных крутых пластах. Под ред. чл. корр. АН СССР Т. Ф. Горбачева. Изд. «Наука», Сиб. отд., Новосибирск, 1967.

43

22.Д а в ид ян ц В. Т. Движение боковых пород при разработке угольных пластов в Донецком бассейне. Углетехиздат, 1948.

23.Д а в и д я н ц В. Т. Работы ДонУГИ за 20 лет по вопросам управ­ ления горным давлением, Донецк, 1968.

24.Д а в и д я н ц В. Т. Совершенствование способов и средств управ­ ления кровлей на шахтах Донбасса. М., «Недра», 1969.

25.Доклады Всесоюзной конференции по механике горных пород.

Изд. Кольск. филиала АН СССР, Апатиты, 1970.

26. Д о к у к и н А. В. Ускорение технического прогресса в уголь­ ной промышленности и деятельность института горного дела

состоянии ненарушенного массива горных пород. Сб. «Вопросы горного

30. 3 а с л а в с к и й Ю. 3. Исследование проявлений горного дав­ ления в капитальных выработках глубоких шахт Донецкого бассейна. М., «Недра», 1966.

31. Ил ь шт е й н А. М. и др. Методы расчета целиков и потоло­ чин камер рудных месторождений. М, изд. «Наука», 1964.

32.Исследование горного давления. М., сб. ИГД АН СССР, Госгортехиздат, 1960.

33.Исследование горного давления геофизическими методами. М., «Наука», 1967.

его проявлений. Энциклопедический справочник «Горное дело», М., Углетехиздат, 1959.

ческие критерии выбора аналитических методов исследования проб­ лем горной геомеханики. Труды ВНИМИ, сб. 76, Л., 1970.

разгрузки напряжений, действующих в междукамерных целиках ка­ менной соли Артемовских рудников. Труды ВНИМИ, Сб. 22, Углетех­ издат, Л., 1950.

ния горных пород. Вестник АН СССР, 1963, № 5.

42.Математические методы в горном деле (материалы конферен­ ций), изд. СО АН СССР, Новосибирск, 1963.

43.Материалы дискуссии по определению понятия «Горное давле­ ние», М., Углетехиздат, 1954.

«Горный журнал», 1966, Ns 1.

44

46. М е л ь н и к о в Н. В. и др. Горная наука и техника в области открытого способа разработки месторождений. Изв. ВУЗов «Горный журнал», 1967, № 10.

горного давления при разработке рудных месторождений. Труды ВНИМИ, сб. 76, Л., 1970.

49. Общая методика научно-исследовательских работ по теме «Ис­ следование горного давления и его изменений в связи с переходом горных работ на нижние горизонты в условиях Прокопьевско-Кисе-

100-летию со дня рождения В. И. Ленина. Труды ВНИМИ, сб. 76, Л., 1970.

52. П а н о в А. Д. и др. Материалы к методике комплексного изу­ чения вопросов горного давления применительно к механизированным крепям. М., Углтехиздат, 1954.

53. П е т у х о в И. М. и др. Горные удары и борьба с ними на шах­ тах Кизеловского бассейна. Пермиздат, 1969.

54.Проблемы геомеханики. Изд. Арм. ССР, Ереван, 1967.

55.Проблемы механики горных пород. Алма-Ата, изд. «Наука» Каз. ССР, 1966.

СССР Н. А. Чинакала. Новосибирск, изд. «Наука» СО АН СССР, 1968.

63.Советская наука и техника за 50 лет. Развитие наук о Земле. М., «Наука», 1967.

64.Современное состояние горной науки в СССР. М, «Наука», 1968.

68.Труды совещания по управлению горным давлением М., Изд. АН СССР, 1937.

69.Труды совещания по управлению горным давлением. М., Угле­ техиздат, 1948.

45

Г л а в а II

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРОД

Основные концепции учения о механических свойствах горных пород изложены в работах М. М. Протодъяконова [50], Г. Н. Куз­ нецова [21], К. В. Руппенейта [59, 60], Л. А. Шрейнера [68, 69], Ж. С. Ержанова [13], М. П. Воларовича [9], В. В. Ржевского [54],

М.М. Протодъяконова (младшего) [15, 51, 52 и др.], Г. Л. Фисенко

[65]и др. [2—4, 10—12, 20, 25, 27, 62, 63, 64], а также ряда зару­ бежных ученых [66, 70—77]. По отдельным методам исследований механических свойств горных пород имеется ряд методических указа­ ний [28—45] и руководств [56—58], на которые ниже, в необходи­ мых местах, делаются ссылки. Многие из этих указаний опубликова­ ны как соответствующие разделы более широких исследований по механике горных пород.

§ 6. Общие (обязательные) требования к методам определения механических свойств пород

Общими требованиями к методам опытного определения показа­ телей механических свойств горных пород являются их представитель­ ность, надежность и доступность.

Представительность методов исследований предусматривает обя­ зательное близкое соответствие результатов исследования и дейст­ вительных свойств пород в условиях изучаемых горногеомеханических процессов: при испытаниях должны воссоздаваться натурные условия механизма нагружения, смещения, деформирования и разру­ шения породы, то есть учитываться:

1. Состав, строение, а в необходимых случаях влажность поро­ ды, типичные для изучаемых объектов: кровли, почвы, целиков, бортов выработок и т. п. Выполнение этого требования достигается выбором и подготовкой мест и методикой натурных испытаний или надлежащим отбором проб пород и технологией изготовления из них образцов для лабораторных испытаний и оценкой факторов, влияющих на представительность проб и образцов.

2.Характер деформаций и вид напряженного состояния, близкие

кдеформациям и напряженному состоянию массива горных пород

внатурных условиях. Выполнение этого требования достигается надлежащим составом испытания пород, а при испытании — спо­ собом приложения нагрузки, диапазонами ее интенсивности или диа­ пазонами деформаций, а также режимом нагружения, близким к нагрузкам и последовательности их приложения к участку породы

внатурных условиях.

47

Результаты испытаний, проведенных с полным выполнением тре­ бований указанных в данном пункте, не дают, во многих случаях (при сложных видах нагружений), констант механических свойств

отражают не только механические свойства самой породы, но и ус­ ловия ее работы в рассматриваемой механической системе.

Следует отметить, что обнажение массива горной выработкой при проведении в ней натурных испытаний или отбора проб для лабораторных испытаний (даже при использовании буровых сква­ жин) всегда перераспределяет исходное напряженное состояние массива, обычно в сторону приближения к его предельному напря­ женному состоянию, иногда вплоть до частичного или полного разру­ шения породы (отжим и т. п.). В результате, испытания, при ко­ торых используется порода зон значительного опорного давления, оказываются достаточно представительными лишь для этих зон, но в меньшей мере характеризуют механические свойства горных пород в массиве вдали от указанных обнажений.

Надежность определения показателей свойств горных пород пре­ дусматривает соответствие погрешностей их определения — требуемой для данной задачи исследования горного давления. При этом имеются в виду систематические и случайные погрешности, выз­ ванные несовершенством принятой методики испытаний и исполь­ зуемой для испытаний аппаратуры и принимается во внимание статистический разброс определяемых показателей. В зависимости от направления использования показателей свойств пород должны

б) м е т о д ы г р у б ы х и с п ы т а н и й , оцениваемые малой надеж­ ностью (порядка 60—80%);

методике, применяемые при специальных исследованиях горного давления.

Доступность определения показателей свойств горных пород сво­ дится:

а) к возможно большей простоте и малой трудоемкости работ по подготовке и проведению испытаний, удобным способам извлечения проб пород, экономному изготовлению из них минимального необ­ ходимого числа образцов минимальных необходимых размеров;

б) к возможной несложности, дешевизне и доступности приоб­ ретения предусмотренного для испытаний оборудования, а иногда и к его комплектности и транспортабельности.

48

Перечисленные требования к определению свойств пород должны удовлетворяться в мере, отвечающей характеру и уровню постав­ ленной задачи горной геомеханики, а также уровню использова­ ния получаемых показателей свойств пород, как составной части комплексного исследования горного давления.

Важнейшие прочностные свойства пород характеризуются сле­

случае пользуются единицами измерения условной шкалы М. М. Протодъяконова). Этот показатель наиболее характерен (и имеет обычно наибольшие значения) для твердых пород. Для трещиноватых пород прочность значительно осложняется характером разрушения и масш­ табным эффектом, связанным со структурными особенностями этих пород.

2. П р е д е л п р о ч н о с т и при р а с т я ж е н и и 6р [кг{см2], применяемый обычно для характеристики твердых горных пород. Применимости этого важного показателя для трещиноватых пород препятствует неразработанность методов соответствующих испыта­ ний. Для идеально сыпучих пород этот показатель не имеет смысла.

3. П р е д е л п р о ч н о с т и при и з г и б е 6ИЗГ [кг/см2] является весьма характерным показателем для твердых и в несколько мень­ шей мере для трещиноватых и пластичных пород. Однако недо­ статочная разработанность теории прочности горных пород при из­ гибе (особенно для трещиноватых и пластичных пород) значитель­ но ограничивают применимость этого показателя в качестве неко­ торой константы механических свойств породы. Но этот показатель сохраняет важное практическое значение в качестве функциональ­ ной характеристики прочности породы.

4. П а с п о р т о б ъ е м н о й п роч н о е т и при сложных напря­ женных состояниях, выражаемый обычно зависимостью касательных напряжений на площадках сдвигового разрушения от величины нормальных напряжений на этих площадках или численными па­ раметрами этой зависимости: коэффициентом сцепления С[кг1см2] и углом внутреннего трения 'Р [град] . Паспорт объемной прочности является универсальной по приложимости прочностной характерис­ тикой для всех типов горных пород, причем обычно твердые породы характеризуются высокими значениями обоих его параметров; сыпучие породы — весьма низким коэффициентом сцепления, а пластичные —

— весьма низким, углом внутреннего трения.

Анизотропия горных пород также соответствующим образом отражается на паспорте ее объемной прочности. В этом случае путем графических построений [21, 22] на паспорте отмечают ли­ нии специальных предельных состояний по поверхностям ослаб­ лений, параметры которых характеризуются показателями простран­ ственной ориентировки ослаблений и соответствующими коэффициен­ тами С и 'f по этим ослаблениям.

49