Лекция 3. Методы определения устойчивости породного массива

План работы

3.1 Определение устойчивости техногенных обнажений

3.2 Методика ВНИМИ

3.3 Методика профессора Н.С. Булычева

3.4 Методика СПГГИ

3.5 Анализ существующих методов определения напряженно–деформированного состояния массива

3.1 Определение устойчивости техногенных обнажений

Устойчивость породного массива является одной из основных характеристик, определяющих безопасность и эффективность ведения горных работ. Под устойчивостью понимают способность массива сохранять равновесное состояние после образования техногенного обнажения, то есть после проведения горной выработки, вскрытия борта, кровли, почвы или иной поверхности, образованной в результате производственной деятельности.

В естественном состоянии горный массив находится под действием природного напряжённого состояния. После проведения выработки часть пород удаляется, и равновесие нарушается. Вокруг контура выработки происходит перераспределение напряжений, появляются зоны концентрации нагрузок, разгрузки, трещинообразования и возможного разрушения. Поэтому устойчивость техногенного обнажения зависит не только от прочности пород, но и от геологического строения массива, трещиноватости, слоистости, водонасыщенности, глубины залегания, формы выработки, способа проходки и своевременности установки крепи.

Техногенное обнажение может находиться в устойчивом, условно устойчивом или неустойчивом состоянии. Устойчивое состояние характеризуется тем, что массив сохраняет форму без заметного разрушения и без необходимости немедленного усиления крепи. Условно устойчивое состояние означает, что массив способен сохранять равновесие только при определённых условиях, например при своевременном креплении, ограничении времени обнажения или отсутствии дополнительных воздействий. Неустойчивое состояние проявляется в виде вывалов, заколов, расслоения кровли, смещений боков, пучения почвы и деформации крепи.

При оценке устойчивости необходимо учитывать разницу между прочностью образца и прочностью массива. Лабораторный образец обычно имеет меньшую нарушенность и более однородное строение. Реальный массив содержит трещины, контакты слоёв, зоны дробления и тектонические нарушения. Поэтому устойчивость массива часто определяется не прочностью минерального материала, а структурой ослаблений и характером взаимодействия породных блоков.

Основными признаками снижения устойчивости техногенного обнажения являются появление новых трещин, раскрытие существующих трещин, отслоение пород, изменение формы контура выработки, деформация крепи, выпадение отдельных кусков или блоков, образование куполов обрушения и усиление смещений приконтурной зоны. Эти признаки должны рассматриваться не изолированно, а в связи с геологическими условиями и технологией ведения работ.

Для определения устойчивости породного массива применяются инженерно-геологические, аналитические, эмпирические, инструментальные и численные методы. Инженерно-геологические методы основаны на описании строения массива и выявлении факторов ослабления. Аналитические методы используют положения механики горных пород и позволяют оценить напряжённое состояние вокруг выработки. Эмпирические методы основаны на обобщении большого объёма шахтных наблюдений. Инструментальные методы позволяют контролировать фактические смещения, напряжения и развитие нарушенных зон. Численные методы применяются для моделирования сложных горно-геологических условий и прогноза поведения массива.

Таким образом, определение устойчивости техногенных обнажений представляет собой комплексную задачу, в которой необходимо учитывать физико-механические свойства пород, структурную нарушенность массива, напряжённое состояние, технологические факторы и время существования обнажённой поверхности.

3.2 Методика ВНИМИ

Методика ВНИМИ относится к числу наиболее известных отечественных подходов к оценке устойчивости горных выработок и приконтурного массива. Она сформировалась на основе большого объёма шахтных наблюдений, экспериментальных исследований и анализа проявлений горного давления в различных горно-геологических условиях.

Основная идея данной методики заключается в том, что устойчивость выработки определяется совокупным влиянием природных и технологических факторов. К природным факторам относятся прочность пород, их слоистость, трещиноватость, обводнённость, нарушенность, характер контактов между слоями и общее напряжённое состояние массива. К технологическим факторам относятся форма и размеры выработки, способ её проведения, скорость проходки, тип крепи, время установки крепи и влияние соседних горных работ.

В методике ВНИМИ большое значение придаётся инженерной классификации пород и массива по степени устойчивости. Такой подход удобен для практики, поскольку позволяет не только описать состояние массива, но и связать его с выбором крепи и технологических мероприятий. При этом массив рассматривается не как идеально сплошная среда, а как природно-техногенная система, в которой устойчивость зависит от взаимодействия пород, выработки и крепи.

Особое внимание уделяется приконтурной зоне. Именно эта часть массива первой реагирует на проведение выработки. В ней возникают трещины, отслоения, зоны разупрочнения и локального разрушения. Если приконтурная зона сохраняет несущую способность, выработка может быть устойчивой. Если же разрушение распространяется вглубь массива, возникает необходимость усиленного крепления и дополнительных мер поддержания.

Практическая ценность методики ВНИМИ заключается в том, что она позволяет использовать результаты наблюдений непосредственно в производственных условиях. При обследовании выработки оценивают состояние кровли, боков и почвы, характер трещиноватости, наличие отслоений, интенсивность деформаций, состояние крепи и признаки изменения горного давления. На основе этих данных определяется категория устойчивости и выбираются мероприятия по обеспечению безопасного состояния выработки.

Методика особенно полезна в условиях, когда отсутствует полный набор исходных данных для сложного расчёта. В таких случаях инженерная оценка по совокупности признаков позволяет быстро принять предварительное решение. Однако её нельзя рассматривать как полностью универсальную. При сложной тектонике, значительной глубине разработки, интенсивном горном давлении или выраженной неоднородности массива необходимо дополнять методику инструментальными наблюдениями и численным моделированием.

Достоинством методики ВНИМИ является её практическая направленность и связь с реальными проявлениями горного давления. Недостатком является зависимость результата от качества инженерного описания массива и квалификации специалиста, выполняющего оценку. Поэтому при применении данной методики важно проводить тщательное геолого-геомеханическое обследование выработки.

В целом методика ВНИМИ может рассматриваться как прикладной инструмент предварительной и текущей оценки устойчивости горных выработок, особенно эффективный при сочетании с шахтными наблюдениями и контролем состояния крепи.

3.3 Методика профессора Н.С. Булычева

Методика профессора Н.С. Булычева основана на представлениях механики подземных сооружений и рассматривает горную выработку как инженерный объект, взаимодействующий с окружающим породным массивом. В отличие от чисто эмпирических подходов, данная методика ориентирована на расчетное обоснование устойчивости и анализ напряжённо-деформированного состояния пород вокруг выработки.

Главная особенность подхода заключается в рассмотрении системы «массив — выработка — крепь». Устойчивость выработки зависит не только от состояния пород, но и от того, как крепь взаимодействует с массивом. Если крепь установлена своевременно и работает совместно с породами, она ограничивает развитие деформаций и способствует сохранению устойчивости. Если крепь запаздывает, имеет недостаточную несущую способность или не соответствует условиям массива, разрушение приконтурной зоны может развиваться быстрее.

В методике Н.С. Булычева большое внимание уделяется напряжённому состоянию вокруг выработки. После проведения выработки контур становится зоной перераспределения напряжений. В одних участках напряжения возрастают, в других происходит разгрузка. Если возникающие напряжения превышают способность пород сопротивляться разрушению, в массиве формируются зоны пластических деформаций, трещинообразования и потери устойчивости.

Подход профессора Булычева позволяет учитывать форму выработки, механические свойства пород, условия залегания, действие горного давления и параметры крепи. При этом выработка рассматривается не просто как пустота в массиве, а как конструктивный элемент подземного сооружения. Это особенно важно для капитальных, подготовительных и долговременно эксплуатируемых выработок.

Методика также позволяет анализировать характер деформирования пород во времени. В реальных условиях массив не всегда разрушается мгновенно. Часто после проведения выработки происходит постепенное развитие смещений, раскрытие трещин, расслоение кровли и изменение нагрузки на крепь. Поэтому расчет устойчивости должен учитывать не только начальное состояние, но и последующее взаимодействие пород и крепи.

Преимущество методики Н.С. Булычева заключается в её инженерно-механической обоснованности. Она позволяет переходить от качественного описания массива к расчетному анализу. Это делает её полезной при проектировании крепи, выборе формы сечения выработки, оценке зон возможного разрушения и прогнозе деформаций.

Однако применение этой методики требует более полной исходной информации. Необходимо знать свойства пород, характер напряжённого состояния, геологическое строение массива, условия контакта пород и крепи, а также предполагаемый режим работы выработки. Если исходные данные заданы неточно, результат расчета может иметь ограниченную достоверность.

Таким образом, методика профессора Н.С. Булычева является важным расчетно-аналитическим подходом к определению устойчивости породного массива. Она особенно эффективна при проектировании подземных сооружений и оценке взаимодействия массива с крепью.

3.4 Методика СПГГИ

Методика СПГГИ связана с развитием инженерно-геомеханического подхода к оценке устойчивости породного массива и техногенных обнажений. Она ориентирована на комплексный учет геологических, структурных, механических и технологических факторов, влияющих на состояние массива вокруг горной выработки.

В основе данной методики лежит представление о том, что устойчивость массива определяется не одним показателем, а совокупностью условий. Даже прочные породы могут быть неустойчивыми при наличии неблагоприятной трещиноватости, слоистости, водонасыщенности или тектонических нарушений. В то же время породы умеренной прочности могут сохранять устойчивость при благоприятном строении массива и правильном выборе крепи.

Методика СПГГИ уделяет значительное внимание структурному строению массива. При оценке устойчивости учитываются направления слоистости, системы трещин, поверхности ослабления, блоковое строение, характер контактов между породами и возможность образования неустойчивых породных блоков. Это особенно важно для горных выработок, где разрушение часто происходит не по сплошной породе, а по существующим трещинам и поверхностям напластования.

Важным элементом методики является инженерная оценка возможного механизма потери устойчивости. Для кровли это может быть отслоение, провисание, образование купола разрушения или выпадение блоков. Для боков выработки характерны выколы, сдвиговые смещения и разрушение по трещинам. Для почвы возможны вспучивание, выдавливание слабых пород и развитие деформаций под действием перераспределённого давления.

Методика СПГГИ позволяет рассматривать устойчивость не только как прочностную задачу, но и как структурную. Это особенно важно в трещиноватых и слоистых массивах, где поведение пород определяется пространственным расположением ослабленных поверхностей. Поэтому при применении данного подхода большое значение имеют геологическая документация, описание трещин, анализ ориентации структурных элементов и фактические наблюдения за состоянием выработки.

Практическое применение методики связано с выбором рациональных параметров крепи и мероприятий по управлению состоянием массива. Если установлено, что основную опасность представляет отслоение кровли, применяются решения, направленные на стягивание слоёв и предотвращение их расслоения. Если опасность связана с блоковым разрушением, крепь должна обеспечивать удержание потенциально неустойчивых блоков. Если главная проблема заключается в деформировании почвы, требуется комплекс мероприятий по снижению давления и повышению устойчивости нижней части выработки.

Достоинством методики СПГГИ является её комплексный характер и возможность учитывать реальные особенности массива. Она особенно полезна при анализе трещиноватых, слоистых и неоднородных пород. Ограничением является необходимость качественного исходного инженерно-геологического описания. Без достоверных данных о строении массива применение методики может дать слишком обобщённый результат.

Таким образом, методика СПГГИ представляет собой комплексный инженерно-геомеханический подход, позволяющий оценивать устойчивость техногенных обнажений с учётом структуры массива и возможных механизмов разрушения.

3.5 Анализ существующих методов определения напряженно-деформированного состояния массива

Напряжённо-деформированное состояние массива является основой для понимания устойчивости горных выработок. Оно показывает, как распределяются напряжения и деформации в породах после проведения выработки, где возникают зоны концентрации нагрузок, где формируются области разгрузки и какие участки массива могут перейти в состояние разрушения.

Существующие методы определения напряжённо-деформированного состояния можно условно разделить на несколько групп: аналитические, эмпирические, экспериментальные, инструментальные и численные.

Аналитические методы основаны на положениях механики сплошной среды. Они позволяют получить общее представление о распределении напряжений вокруг выработки и выявить наиболее опасные зоны. Их преимущество заключается в теоретической обоснованности и возможности быстро оценить влияние основных факторов. Однако такие методы обычно требуют упрощения реальных условий. Массив часто рассматривается как однородная среда, тогда как в действительности он может быть слоистым, трещиноватым и тектонически нарушенным.

Эмпирические методы основаны на обобщении практического опыта и наблюдений в горных выработках. Они удобны для предварительной оценки устойчивости, выбора категории состояния массива и назначения типовых решений по креплению. Их достоинство заключается в простоте и связи с реальными производственными условиями. Однако они не всегда позволяют точно описать поведение массива в нестандартных или сложных геологических условиях.

Экспериментальные методы включают лабораторные испытания образцов пород и моделирование поведения массива на физических моделях. Такие методы позволяют определить прочностные и деформационные характеристики пород, оценить влияние трещин, влажности, слоистости и других факторов. Основное ограничение заключается в том, что лабораторный образец не всегда отражает состояние реального массива. Поэтому результаты испытаний необходимо корректно интерпретировать с учетом масштаба и структурной нарушенности пород.

Инструментальные методы применяются непосредственно в горных выработках. Они позволяют измерять смещения пород, деформации крепи, раскрытие трещин, изменение состояния приконтурной зоны и другие параметры. Их ценность состоит в том, что они фиксируют фактическое поведение массива. Особенно важны повторные измерения, позволяющие отслеживать развитие процессов во времени. Однако инструментальные методы обычно показывают состояние уже существующей выработки и требуют правильной организации мониторинга.

Численные методы в настоящее время являются одним из наиболее эффективных инструментов анализа напряжённо-деформированного состояния массива. Они позволяют моделировать сложную геометрию выработок, неоднородное строение пород, влияние трещиноватости, работу крепи, последовательность проходки и изменение состояния массива во времени. С помощью численного моделирования можно сравнивать разные варианты крепления, прогнозировать зоны разрушения и обосновывать инженерные решения.

Вместе с тем численные методы не являются самостоятельной заменой инженерного анализа. Их результат зависит от качества исходных данных, правильности выбранной модели и опыта специалиста. Если в модель заложены недостоверные свойства пород или не учтены важные геологические факторы, итоговый прогноз может быть ошибочным. Поэтому численное моделирование должно сочетаться с геологическими наблюдениями, лабораторными испытаниями и шахтным мониторингом.

Наиболее достоверную оценку напряжённо-деформированного состояния массива даёт комплексный подход. Он предполагает совместное использование инженерно-геологического описания, лабораторных данных, расчетных методик, инструментальных наблюдений и численного моделирования. Такой подход позволяет не только определить текущее состояние массива, но и прогнозировать его дальнейшее поведение.

Следовательно, методы определения устойчивости породного массива не должны применяться изолированно. Каждый метод имеет свои преимущества и ограничения. Эмпирические методики удобны для практической классификации условий, аналитические методы дают теоретическую основу, инструментальные наблюдения показывают фактическое состояние массива, а численное моделирование позволяет прогнозировать развитие геомеханических процессов. Только их сочетание обеспечивает наиболее надежное обоснование устойчивости техногенных обнажений.

Список использованной литературы

1. Протодьяконов М.М. О рациональной классификации горных пород // В кн.: Исследование физико-механических свойств и взрывного разрушения горных пород. - М.: Наука, 1970.

2. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - М.: Недра, 1964.

3. Турчанинов И.А., Медведев Р.В., Панин В.И. Современные методы комплексного определения физических свойств горных пород. - М.: Недра, 1967.

4. Панюков П.Н. Инженерная геология. - М.: Госгортехиздат, 1962.

5. Рац М.В., Чернышев С.Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. – М.: Недра, 1970. – 164 с.