Основные положения и история развития геомеханики

Деятельность человека по эксплуатации природных и техногенных месторождений полезных ископаемых, использованию выработанных пространств, застройке территорий, освоению и использованию других ресурсов недр и охране окружающей среды всегда осуществлялась в тесной взаимной связи на основе прогнозов изменения геомеханического состояния геологической среды под влиянием горных работ. При добыче полезных ископаемых еще в древние времена люди вынуждены были ограничивать размеры горных выработок и искусственно поддерживать их на отдельных участках, чтобы не происходили обрушения и завалы.
В процессе формирования горных наук геомеханика претерпела ряд изменений и неоднократно переходила из одной группы в другую, в зависимости от решаемых ею на определенном историческом этапе задач и используемых при систематизации признаков. Долгое время задачи, решаемые с помощью положений горной геомеханики, относились к области знаний, называемой маркшейдерским искусством. Позже эта область знаний стала называться маркшейдерским делом или сокращенно маркшейдерией.
Становление геомеханики как науки началось с формирования и развития механики горных пород, которая входит в физику горных пород и процессов в качестве ее части. Механике горных пород, в отличие от классической механики, свойственны специфические методы и области применения, связанные с особенностями горных пород как объекта изучения.
При систематизации горных наук по признаку решаемых задач геомеханика подразделялась на управление горным давлением в целях безопасного и рационального извлечения полезного ископаемого и учет и оценку нарушений начального состояния объектов, расположенных выше горных работ, как в массиве, так и на земной поверхности. Сокращенно эти проблемы стали называться «горным давлением» и «сдвижением горных пород». По методам изучения геомеханических процессов геомеханика подразделяется на аналитическую и эмпирическую. На рубеже XIX и XX веков стали формироваться представления о горном давлении. Им предшествовали начатые во второй половине XIX века инструментальные наблюдения за сдвижением горных пород и оседанием дневной поверхности. Исходя из наблюдений за деформациями горных пород, раскрытием трещин и разрывами, горные инженеры во второй половине XIX века пришли к выводу о существовании «естественных напряжений» в горных массивах. В период 1878-1912 годов профессор Гейле высказал свои представления о напряжениях в горных массивах. Суть их состоит в том, что горизонтальные напряжения должны иметь величины того же порядка, что и вертикальные. В 1900 году в США на основе лабораторных экспериментов впервые была предложена формула для расчета прочностных показателей целиков в антрацитовых шахтах.
В 1907 году М.М. Протодьяконов опубликовал работу «Давление горных пород на рудничную крепь». Эта работа и его гипотеза свода давления стали началом развития теории горного давления. Исходя из свода давления и обобщения данных по обрушениям в горных выработках, он вывел формулу для расчета давления пород на крепь и ввел понятие коэффициента крепости пород.
В первой половине 20-х годов прошлого столетия при строительстве Амстегского туннеля (Швейцария) впервые были проведены опытные работы по определению деформационных свойств скальных пород методом напорной камеры. По результатам наблюдений в процессе повышения давления и воды в камере были получены зависимости деформаций от нагрузки и определен модуль упругости породы в массиве.
В 1925-1926 годах А.Н. Динник впервые предложил использовать теорию упругости для описания напряженно-деформированного состояния горных массивов и сформулировал решение задачи теории упругости для тяжелого полупространства в предположении равенства нулю горизонтальных деформаций. Отсюда появилось понятие исходного бокового давления, отличного от нуля, а отношение этого давления к вертикальному горному давлению получило название коэффициента исходного бокового давления. В то же время, в 1926 году, немецкий ученый Шмидт опубликовал работу, в которой связал исходные напряжения по Гейму с представлениями об упругих свойствах скальных пород.
Таким образом, в 20-30-х годах прошлого столетия впервые при решении проблем горного давления стали использоваться исходные понятия об упругих средах, закон Гука и уравнения равновесия. При этом заметим, что к этому времени уже была разработана теория упругости, которая наряду с сопротивлением материалов широко использовалась в мостостроении, машиностроении и других отраслях науки и техники.
В 30-е годы А.Н. Динник совместно с Г.Н. Савиным и А.Б. Моргаевским успешно развивают идею использования в горном деле методов решения задач теории упругости. Они впервые детально описали распределение напряжений вокруг горизонтальных выработок круглого, эллиптического и прямоугольного сечений в скальных породах.
В те же годы чилийский геолог Р. Феннер, как и А.Н. Динник, предложил считать горный массив линейно-упругим вне приконтурной зоны горной выработки. Ограничиваясь описанием напряженного состояния горных пород вокруг выработки круглого сечения, он выделяет зону пониженных напряжений с существенным смещением горных пород в выработку (зона Тромпетера), зону повышенных напряжений с разрывами породы и остальную часть массива, в котором с удалением от выработки ее влияние на напряженное состояние горных пород затухает. Р. Феннер обратил внимание на необходимость учета пластичности горных пород, неоднородности, слоистости, рельефа местности при изучении напряжений и смещений. В то же время Д.В. Филлинс экспериментально показал, что горные породы в зависимости от условий нагружения могут проявлять свойства ползучести, релаксации напряжений и пластичности.
В середине 30-х годов профессор Д.С. Ростовцев первым выдвинул гипотезу горного давления в очистных выработках, которая была положена в основу управления кровлей в лавах (Донбасс). Суть ее в том, что когда подработанная на больших площадях кровля зависает, в краевых частях возникает опасная концентрация напряжений и может произойти обрушение основной кровли (вторичная осадка). При достаточно мощной непосредственной кровле и подбучивании ее вторичная осадка не оказывает существенного влияния на призабойную крепь. В 30-е же годы академик Л.Д. Шевяков предложил метод расчета целиков при камерно-столбовой системе разработки. Суть метода состоит в том, что на каждый целик давит вес столба пород до поверхности. Площадь сечения этого столба равна сумме площади самого целика и половины площади потолочин камер, примыкающих к целику. Такой подход к расчету целиков был достаточно обоснован Г.Н. Кузнецовым и М.А. Слободовым применительно к пластовым месторождениям соли путем измерении напряжений методом разгрузки, который был предложен Д.Д. Головачевым в 1935 году для исследования строительных конструкций.
В конце 30-х годов С.Г. Авершин предложил способ расчета сдвижения земной поверхности на основе результатов натурных измерений. Отметим, что наряду с началом развития натурных инструментальных наблюдений, связанных с горным давлением и сдвижением горных пород, а также началом развития теории горного давления с использованием методов теории упругости и сопротивления материалов, были широко развернуты лабораторные исследования деформационно-прочностных свойств горных пород с учетом основного минералогического состава, степени метаморфизма, трещиноватости, влажности и выветриваемости.
В 40-е годы получили широкое развитие натурные наблюдения за сдвижением горных пород при разработке пологих, наклонных и крутопадающих пластов. В 1948 году были начаты исследования горного давления на моделях из эквивалентных материалов. Основные положения метода моделирования были разработаны Г.Н. Кузнецовым. Позднее им была выдвинута гипотеза шарнирноблочного механизма оседания основной кровли очистных выработок.
В этот же период для измерения деформаций и напряжений в натурных условиях стали использоваться тензометрические датчики, в частности, при измерении деформаций на торце обуриваемого керна - динамометры, струнные датчики. Были разработаны первые геофоны для сейсмоакустической оценки нагруженного состояния горных пород.
Исходя из гипотезы консольных балок профессор В.Д. Слесарев предложил ряд формул для расчета предельных пролетов кровли на трех стадиях ее обнажения и формулы расчета давления на крепь очистного забоя. На первой стадии предельного пролета используется изгиб балки с «внецентральным» сжатием, свободно опертой или защемленной по концам, на второй стадии предельный пролет определяется максимумом прогиба балки без разрыва в нижней части, третье предельное состояние - трещина разрыва прорастает на всю толщину балки.
В отличие от гипотез Г.Н. Кузнецова и В.Д. Слесарева профессор П.М. Цимбаревич сформулировал гипотезу сдвига блоков или гипотезу сдвига призм обрушения слабых пород для очистных выработок на сравнительно небольшой глубине.
За рубежом в 1947-1951 годах бельгийский ученый А. Лабасс, следуя Р. Феннеру, сформулировал применительно к очистным выработкам свою гипотезу «предельного растрескивания». Согласно этой гипотезе, непосредственная и частично основная кровля при переходе из зоны опорного давления в зону разгрузки по мере перемещения забоя подвергается интенсивному растрескиванию, что связано с большой разницей между главными напряжениями. Он предлагает использовать для поддержания кровли податливую крепь, но с весьма высоким сопротивлением, чтобы уменьшить расслоение непосредственной кровли. Голландский профессор Ф.К. Итерсон считает, что в забоях лавы происходит пластическое выдавливание горных пород из зоны опорного давления.
К этому времени относится основополагающая работа В.В. Соколовского «Плоское предельное равновесие горных пород». Эта и последующие работы В.В. Соколовского по механике сыпучих сред и теории пластичности сыграли весьма существенную роль при решении проблем устойчивости бортов и уступов. Используя эти работы, Г.Л. Фисенко в 70-х годах предложил ряд расчетных методов, которые стали широко использоваться при открытой разработке месторождений.
Значительное влияние на развитие аналитических методов в геомеханике применительно к горным проблемам оказали работы Д.И. Шермана, С.Г. Михлина, С.Г. Лехницкого. Схематизируя горные выработки эллиптическими и щелевыми вырезами, они дают точные решения поставленных задач, что позволяет провести детальный анализ полей напряжений в идеализированной постановке задачи. Д.И. Шерман разработал метод расчета напряжений около двух сближенных эллиптических выработок большой протяженности на достаточно большой глубине.
И.В. Родин и Г.Н. Савин положили начало использованию аналитических методов в решении задач о взаимодействии крепи с породами горной выработки кругового сечения. Крепь рассматривается как упругое кольцо, вставленное в круговой вырез. Из решения этой контактной задачи Г.Н. Савин получает расчетные формулы давления на крепь. Позднее этот вопрос с учетом упругопластических деформаций применительно к вертикальному стволу с крепью рассмотрел профессор Ф.А. Белаенко. В дальнейшем развитие этих методов с широким использованием в горной практике связано с именами многих ученых и в первую очередь с Н.С. Булычевым и Н.Н. Фотиевой.
Особое внимание привлекли труды С.Г. Лехницкого, наиболее полно и детально разработавшего теорию упругости анизотропного тела. Все слоистые горные массивы, по существу, являются анизотропными. На основании своих работ 1940 года С.Г. Лехницкий дает в 1950 году постановку и точное решение задачи о распределении напряжений и смещений в трансверсально-изотропном массиве вокруг вертикального ствола. Этим решением впервые было показано, что вертикальный компонент напряжений при проходке стволов не изменяется, т.е. остается равным по величине исходному вертикальному горному давлению.
В мире признано, что 50-е годы нашего столетия можно считать началом систематических исследований в области геомеханики, механики грунтов и инженерной геологии при постоянном развитии связей с физикой, механикой, химией. Это обусловлено, с одной стороны, переходом на новый уровень добычи полезных ископаемых, туннелестроения, строительства гидротехнических и подземных сооружений, подземных взрывов, а с другой - катастрофами и крупными горно-технологическими проблемами, в основе которых лежат геомеханические процессы. К ним относятся внезапные выбросы угля, пород и газа в шахтах, горные удары, внезапные обрушения больших масс горных пород.
В исследования по геомеханике включились университеты, научно-исследовательские институты академий. Начиная с 50-х годов прошлого столетия многие исследования в горном деле, связанные с механикой горных пород, стали отличаться от всех предыдущих тем, что в них, наряду с решением конкретных горнотехнических проблем в области горного давления и сдвижения горных пород, изучаются природа и механизм явлений, порождаемых горными работами. В результате сформировались и получили развитие крупные научные направления. В этом отношении работы В.В. Соколовского, С.Г. Лехницкого, Д.И. Шермана, А.Н. Динника, Г.Н. Савина и других ученых нашей страны сыграли исключительно большую роль. Развитию новых направлений в значительной мере способствовали книги К.В. Руппенейта и Ю.М. Либермана «Введение в механику горных пород» (1960), Д. Талобра «Механика скальных пород» (1957), Г. Джегера «Механика горных пород и инженерные сооружения» (1972) и др.
Это привело к разработке математических и физических моделей трещиноватых и блочных горных пород, которые обладали упругими, вязкими, пластическими, фильтрационными свойствами. Создаются специальные модели разрушения горных пород, особое место занимают модели взрывного разрушения, которые широко используют понятие ударной волны в горных породах.
Вместе с созданием моделей горных пород и физико-математической постановкой задач геомеханики начали развиваться методы решения этих задач. Все это в совокупности обусловило разработку и развитие многих научных направлений геомеханики горного давления, взрывных волн и разрушения горных пород, сдвижения горных пород, устойчивости горных выработок, фильтрации в трещиновато-пористых горных породах, внезапных выбросов угля, пород и газа и др.
Методы математической теории упругости и пластичности начали систематически использоваться в геомеханике после опубликования работ CA. Христиановича и С.В. Кузнецова (1955-1966), детально описавших на основе аналитических решений задач геомеханики закономерности перераспределения напряжений в массивах горных пород, формирование зон опорного давления, разгрузки, расслоения с учетом крепи и закладки при разработке пологих пластов. Методы механики деформируемых трещиновато-пористых сред, газовой динамики в сочетании с экспериментальными исследованиями поведения угля, пород и газа при высоких давлениях начали также систематически использоваться при изучении внезапных выбросов угля, пород и газа, закономерностей газовыделения в горные выработки. В этом направлении важное значение имели работы С.А. Христиановича, В.В. Ходота, С.В. Кузнецова и др. Позднее в Германии теорию внезапных выбросов угля и газа, близкую по основным положениям к теории С.В. Кузнецова, развивал Р. Липпман.
В 60-х годах была разработана теория гидроразрыва горных пород, основанная на прорастании трещин, заполняемых жидкостью под давлением. В дальнейшем эта теория развивалась во многих странах, а результаты ее широко используются в нефтепромысловой механике и при измерениях напряжений в горных массивах.
Геомеханика существенно расширила круг своих задач и область исследования после того, как был разработан метод конечных элементов для расчетов на ЭВМ напряжений и деформаций в различных конструкциях.
Впоследствии практически все методы численного решения задач геомеханики, включая задачи разрушения, фильтрации, прорастания трещин, основаны на методе конечных элементов. В самих расчетах представилась возможность отразить неоднородность и блочность массивов, технологическую последовательность горных работ. Это позволило детально изучить все особенности перераспределения напряжений в горных массивах при сооружениях весьма ответственных объектов, сложных по своей конструкции и больших по объему. Благодаря этому методу расчета стало возможным осуществить геомеханический мониторинг.
С 70-х годов численные методы геомеханики стали широко использоваться при изучении горных ударов для раскрытия механизма этих явлений, определения условий их проявления. В США разрабатывается многоканальная микросейсмическая аппаратура для регистрации и определения местоположения источников акустической эмиссии и очагов разрушения в массивах горных пород в реальном времени. Эта аппаратура расширила возможность изучения напряженно-деформированного состояния горных пород около выработок и прогнозирования динамических проявлений горного давления.
Геомеханический мониторинг и математическое моделирование напряженного состояния и поведения горных пород определили новый подход к изучению деформационных и прочностных свойств горных пород и массивов. Изучаются деформационно-прочностные свойства при неравнокомпонентном трехосном сжатии, оценивается масштабный фактор для перехода от образцов к массивам, изучаются реологические свойства, оценивается влияние температурного фактора. Разработано много методов для определения проницаемости горных пород, нефтяных и угольных пластов. Новое продолжение получила диаграмма напряжение-деформация-запредельное деформированное состояние горных пород, которая связана с жесткими условиями нагружения горных пород на уровне предельного сопротивления разрушению.
На всех этапах своего развития геомеханика получала мощные импульсы со стороны органов, контролирующих состояние безопасности горных работ и жизнедеятельности населения. Подобного рода проблемы возникли еще в Средние века, когда, при добыче полезных ископаемых приходилось определять устойчивость пространств, образующихся в результате извлечения полезных ископаемых из недр, и вести горные работы с учетом близости ранее выработанных участков и горизонтов, под зданиями, сооружениями и водоемами, вблизи шахтных стволов и шурфов и т.д. Вначале многое решалось на основе передаваемого из поколения в поколение практического опыта рудокопов, предполагающего главным образом визуальные наблюдения за поведением горных пород и развитую интуицию. Однако со временем этого стало недостаточно.
В середине XIX века в Бельгии и Франции возникла острая полемика между горной инспекцией и рудничными инженерами, после того как во многих домах в районе горных работ в пригороде Льежа появились громадные трещины. Позднее, в 50-х годах того же столетия, подобная угрожающая ситуация сложилась и в некоторых горнопромышленных городах Германии. Для предотвращения конфликтов правительства разных стран были вынуждены издавать постановления, регламентирующие процессы извлечения полезных ископаемых из недр.
В нашей стране изучение сдвижения горных пород на плановой основе, как важный элемент управления горными работами, началось, практически только в 30-е годы прошлого столетия. Наблюдения вели на единой методической основе и с каждым годом их совершенствовали и расширяли. В настоящее время они проводятся почти во всех угольных и горнорудных бассейнах страны. По масштабам и полноте исследований, а также по ценности получаемых результатов наша страна занимает в этой области одно из первых мест в мире.
На основании проведенных исследований впервые в мире были составлены бассейновые Правила охраны сооружений, основанные не на эмпирических зависимостях, а на строгих инженерных методах расчета.
Обзор исторического развития и современного состояния геомеханики свидетельствует, что данная отрасль знаний является составной частью горных наук. Геомеханика полностью сформировалась в самостоятельную науку с конкретными задачами и целью, теоретической основой и методологией, сферой и объектами исследований и практического применения.

---