Объекты и задачи исследований геомеханики

Геомеханика - это наука о деформациях горных пород, движениях в них жидкости и газа и силах, вызывающих эти деформации и движения.
Объектами геомеханики являются горные массивы со всеми элементами геологического строения и нарушенности в недрах Земли на различных масштабных уровнях и собственно горные породы, составляющие эти массивы. Горная порода рассматривается как геологическое образование твердой деформируемой среды минерального состава с присущей ей плотностью, трещиноватостью и прочностью. Горный массив - участок земной коры в границах, устанавливаемых исходя из постановки научной (технологической) задачи или изучаемого процесса.
Деформационные, прочностные, волновые и фильтрационные свойства горного массива изучаются в совокупности с физико-механическими свойствами слагающих горных пород.
Геомеханика устанавливает законы формирования напряженно-деформированного состояния и разрушения горных пород, развития в них деформационных процессов, движения жидкостей и газов в горных массивах, образования блочных и складчатых структур, сохранения устойчивости горных выработок и откосов горных сооружений и земной поверхности.
Основной задачей геомеханики является изучение геомеханических процессов, происходящих в геологической среде под влиянием горных работ, и создание методов оценки, прогноза и контроля состояния толщи пород и поверхности Земли в различные периоды преобразования недр.
Цель геомеханики состоит в познании законов согласования горных объектов с природными телами земных недр при изменяющемся поведении тел в процессе комплексного освоения и сохранения недр.
Под геомеханическим обеспечением такого согласования понимается обоснование и выбор систем и порядка ведения горных работ, взаимного положения выработок, способов управления горным давлением, скорости подвигания забоев и других параметров технологических процессов, при которых деформации в толще горных пород и на земной поверхности будут находиться в заданных пределах.
Геомеханическое обеспечение необходимо на всех стадиях освоения недр: при проектировании, строительстве, эксплуатации, реконструкции и ликвидации объекта. От полноты и надежности используемых при проектировании сведений о геологическом строении и геомеханическом состоянии горного массива во многом зависят как будущая безопасность и эффективность работы горных предприятий, так и состояние окружающей среды.
Оценка геомеханического состояния породного массива до начала горных работ производится как в России, так и во всем мире на основании геологических данных и инженерных изысканий и уточняется по газо- и геодинамическим проявлениям по мере проведения горных выработок.
Прогноз изменения геомеханического состояния породного массива под влиянием горных работ производится по установленным закономерностям сдвижения горных пород и земной поверхности и разработанным методам расчета деформации. С учетом степени обоснованности расчетных формул и способов их получения методы расчета подразделяются на теоретические, эмпирические и полуэмпирические.
Теоретические методы базируются преимущественно на уравнениях, используемых в механике сплошной среды, при этом массив горных пород принимается как упругая, пластичная, вязкая, сыпучая или другая идеализированная среда, отличающаяся от реальной. Теоретические методы для инженерных расчетов применяются редко.
В практике горного дела используются в основном эмпирические и полу-эмпирические методы расчета. Эмпирические методы базируются на зависимостях, полученных непосредственно из результатов инструментальных наблюдений в натурных условиях, полуэмпирические - на зависимостях, установленных на основании обобщений, теоретических соображений, физических и математических аналогий. Численные значения коэффициентов в расчетных формулах полуэмпирических методов определяются по данным натурных наблюдений.
Четкую грань между упомянутыми методами провести очень сложно, особенно для полуэмпирических методов, которые примыкают, с одной стороны, к эмпирическим, а с другой стороны, к теоретическим методам расчета. Одни полуэмпирические методы базируются преимущественно на логических соображениях, другие - на относительно строгих теоретических обоснованиях.
За рубежом получили распространение способы расчета, построенные главным образом на различных предположениях и аналогиях. Общим недостатком методов, применяемых за рубежом, является то, что они основаны на условных предположениях, не вытекают непосредственно из физической сущности процессов. Такими недостатками обладали долгое время и методы, применяемые в отечественной практике. Лишь в последние годы благодаря фундаментальным исследованиям ряда научно-исследовательских институтов горного профиля удалось выявить новые важные закономерности развития деформационных процессов в толще пород и установить четкие зависимости параметров этих процессов от основных влияющих факторов, которые делятся на заданные природные и регулируемые. Целенаправленное изменение регулируемых факторов позволяет управлять развитием деформационных процессов как в пространстве, т.е. в толще горных пород и на земной поверхности, так и во времени. На этом принципе строятся способы управления геомеханическим состоянием породного массива, научные основы которого впервые разработаны в нашей стране. В настоящее время установлен характер развития знакопеременных деформаций в породной толще и их влияние на образование водо- и газопроводящих трещин, зон повышенного горного давления и зон разгрузки и т.д.
По количеству высокоточных инструментальных наблюдений за развитием геомеханических процессов в различных горно-геологических условиях отечественная школа горных геомехаников значительно превзошла все школы мира. Наблюдения охватывают глубины от земной поверхности до 1200 м, углы падения от 0 до 90°, размеры выработанного пространства от единиц до тысячи метров и практически все встречающиеся в природе геомеханические и газодинамические состояния массива.
Контроль за изменением геомеханического состояния породного массива в процессе освоения недр производится путем проведения инструментальных наблюдений за деформациями горных пород и земной поверхности. Результаты инструментальных наблюдений используются для решения следующих задач:
- установление правомерности для рассматриваемых условий принятой при расчетах модели деформирования массива;
- определение правильности используемых при расчетах характеристик породного массива;
- уточнение закономерностей развития деформационных процессов и зависимостей его параметров от основных влияющих факторов;
- контроль за развитием деформаций земной поверхности и охраняемых объектов с целью своевременного принятия защитных мер по предотвращению или снижению вредных последствий горных разработок при приближении наблюдаемых деформаций к их допустимым или предельным значениям;
- установление эффективности принимаемых мер защиты;
- определение степени влияния горных работ при возмещении ущерба, нанесенного владельцу подработанного объекта.
Управление деформационными и фильтрационными процессами состоит в приведении к взаимному соответствию параметров и порядка ведения горных работ с геомеханическим и газодинамическим состоянием массива. Оно может осуществляться путем целенаправленного изменения факторов, оказывающих влияние на развитие деформационных и фильтрационных процессов, в том числе технологическими средствами: путем тампонажа трещин, создания в массиве разгрузочных щелей, компенсационных траншей и других специальных способов воздействия на толщу пород и земную поверхность. Исходные данные для управления деформационными процессами получаются расчетом устойчивых размеров выработанного пространства, целиков, порядка безопасной выемки горной массы и других параметров ведения горных работ по допустимым деформациям породной толщи и земной поверхности. При расчетах используются те же методы, что и при прогнозе, только производятся они в обратном порядке, т.е. деформации считаются заданными, а параметры и порядок ведения горных работ - искомыми величинами.
Геомеханическое обеспечение комплексного освоения ресурсного потенциала недр необходимо в следующих случаях:
- при составлении проекта разработки месторождений полезных ископаемых в части выбора параметров и порядка ведения горных работ, взаимного положения выработок, организации геомониторинга и составления мероприятий по предотвращению или снижению вредных последствий горных выработок;
- эксплуатации горнодобывающих предприятий для корректировки выбранных параметров, порядка ведения горных работ и других положений проекта, а также для проведения наблюдений за развитием деформационных процессов и оперативного принятия мер по предотвращению вредных последствий этих процессов;
- ликвидации горнодобывающих предприятий для прогноза развития деформационных процессов после окончания горных работ и предотвращения образования на поверхности провалов, воронок и других проявлений неустойчивости массива, а также в части использования высвобождающихся горных выработок для народного хозяйства;
- сооружении и эксплуатации подземных объектов различного целевого назначения для оценки их длительной устойчивости и герметичности и прогноза последствий, которые могут возникнуть при нарушении их устойчивости и герметичности;
- застройке подрабатываемых территорий для выбора местоположения объектов строительства, последовательности застройки, определения величин ожидаемых деформаций, на которые следует рассчитывать конструкции сооружений;
- оценке изменения экологической обстановки в районах разработки месторождений полезных ископаемых и в районах строительства подземных объектов различного назначения, особенно подземных атомных электростанций, хранилищ радиоактивных и токсичных отходов.
В последние годы активно развиваются геодинамические разделы геомеханики, которые изучают, среди прочего, актуальные для горного дела движения и деформации земной коры на локальном уровне. Этому способствовало развитие новых представлений о блочном строении земной коры на разных масштабных уровнях, а также интерес, вызванный негативными последствиями техногенной деятельности человека, которая в отдельных случаях оказывает заметное влияние на естественные геодинамические процессы и производственную деятельность человека.
Природные тела как объекты геомеханики - результат структурирования горных массивов под действием гравитационных полей. Учет динамических структур необходим при проектировании, строительстве и эксплуатации долговременных инженерных сооружений, а также для получения достоверной оценки ожидаемых последствий воздействия антропогенных факторов на природные тела.
К конкретным проявлениям динамических структур, которые имеют отношение к горному производству, прежде всего относятся локальные напряжения, связанные с современным движением в земной коре, которые не всегда коррелируют с горным давлением. В отличие от статических, локальные напряжения динамических структур являются следствием современного движения горных масс и поэтому возобновляются даже после разовой разгрузки.
Другая важная особенность структур - наличие собственного масштаба. Устойчивость инженерного сооружения зависит от рационально выбранных соотношений размеров его конструктивных элементов и характеристических размеров динамической структуры массива.
Наконец, крупномасштабное сооружение само инициирует формирование новой динамической структуры, которая при определенных условиях может привести к перестройке исходной природной структуры с далеко идущими и не прогнозируемыми последствиями. Вместе с тем ясно, что согласование строительных и эксплуатационных параметров инженерных объектов с динамическими структурами позволяет уже сегодня использовать энергию динамических структур в достижении необходимых технологических эффектов.
Новые данные о величине неотектонических движений в земной коре, об их существенной пространственной и временной неоднородности, а также сложной реакции массивов горных пород на внешние возмущения, в том числе в процессе освоения недр - требуют проведения более детальных исследований основных закономерностей дифференциальных движений естественных блоковых структур на разных иерархических уровнях.
Фактически в традиционной геодинамике, описывающей движение крупных структурных образований в мантии и земной коре на значительных временных интервалах, зародилось новое направление, связанное с изучением современных движений блоковых структур, составляющих земную кору на локальных (характерный размер народнохозяйственного объекта) масштабных уровнях, а также с прогнозом поведения сложноструктурированной геологической среды под воздействием техногенных и изменяющихся естественных факторов.
Возникшая в последнее время необходимость прогнозирования реакции массивов горных пород сложного строения в процессе освоения недр требует учета и более тщательного рассмотрения поведения блоковых структур во времени и пространстве. Прогноз долговременной устойчивости геологической среды с целью обеспечения безопасного освоения недр, а также возможности, открывающиеся при целенаправленном изменении напряженно-деформированного состояния в процессе ведения горных работ для повышения извлечения полезных ископаемых и снижения трудовых и материальных затрат, приводят к настоятельной необходимости проведения детальных исследований реакции массивов горных пород конкретного строения на внешние воздействия.
Вопросы геомеханического обеспечения освоения и сохранения недр играют заметную роль в общей программе комплексной оценки ресурсного потенциала горно-промышленных районов и прогноза последствий его использования как на локальном и региональном, так и на планетарном уровнях. На локальном уровне изучение геомеханического состояния массива обеспечивает правильный выбор параметров объекта - осваиваемого георесурса - и надежную оценку последствий его влияния на окружающую среду в непосредственной близости. На региональном уровне решаются более масштабные задачи. В частности, при разработке комплексных месторождений полезных ископаемых на основе анализа геомеханического состояния массива выбираются такие параметры и порядок ведения горных работ, при которых отработка одних участков месторождения полезных ископаемых или другого источника георесурсов не будет препятствовать или существенно осложнять работу других. На этой же основе определяется также степень влияния горных работ на окружающую среду в регионе. Глобальное значение приобретают вопросы геомеханического обеспечения при отработке запасов полезных ископаемых на больших площадях. Неуправляемое движение огромных масс пород может активизировать геодинамические и тектонические процессы, привести к оседанию земной поверхности на многих тысячах квадратных километров и затоплению ее, что может вызвать изменение климата. Частые прорывы нефтепроводов на подрабатываемых территориях также приносят глобальный вред окружающей среде. Ho особенно важно геомеханическое обеспечение освоения ресурсов недр при строительстве подземных атомных станций, хранилищ радиоактивных веществ и других подобных объектов.

---