Приоритетные и новые научные направления в геомеханике

Приоритетные научные направления в геомеханике. Работы по освоению ресурсов недр, в отличие от работ на земной поверхности, ведутся в сложной, слабо изученной, постоянно меняющейся и потенциально опасной среде, какой является массив горных пород. Поэтому эффективность использования недр, безопасность горных работ и степень их воздействия на окружающую среду во многом зависят от надежности оценки геомеханического и газодинамического состояний массива, правильности прогноза изменения этих состояний под влиянием горных работ, точности контроля деформационных и фильтрационных процессов, происходящих в толще пород и на земной поверхности, и оперативности принятия мер по предотвращению или снижению вредных последствий, вызываемых этими процессами.
Приоритетными направлениями исследований в области геомеханики традиционно продолжают оставаться:
- создание научных основ и практических способов управления геомеханическими процессами в толще горных пород при освоении и сохранении недр;
- разработка методологии изучения и прогноза развития деформационных процессов и явлений, возникающих в массиве горных пород в результате человеческой деятельности;
- развитие теории управления деформационными процессами, происходящими в толще горных пород и на земной поверхности;
- создание геомеханических основ формирования горных конструкций в земной коре и определения их рациональных параметров;
- изыскание эффективных методов и технических средств наблюдений и контроля за геомеханическим состоянием горного массива в местах ведения горных работ и зонах возможного проявления их воздействий на геологическую среду.
В области геодинамики регионального и локального масштаба приоритетные направления исследований включают:
- установление общих закономерностей поведения локальных участков земной коры с учетом энергетических и силовых связей во всей иерархической цепочке естественных структурных образований, в том числе: геодинамические процессы и явления в земной коре на локальном уровне, структурно-тектоническое и блочно-иерархическое строение локальных участков земной коры как характеристика механического состояния реальных массивов горных пород, количественные характеристики систем тектонических и привнесенных в процессе освоения недр сил, действующих в структурно неоднородной геологической среде, с целью прогнозирования поведения реальных горных массивов, банк данных по характеру, величине и местам проявления напряженного состояния горных массивов;
- изучение реакции различных участков земной коры на антропогенные воздействия при освоении недр, в том числе: анализ масштабов влияния техногенных воздействий на геодинамическое состояние отдельных структурных элементов земной коры, проведение инструментальных исследований и развитие наблюдательных сетей для регистрации деформационных процессов в осваиваемой части массивов горных пород, создание банка данных геодинамических проявлений техногенного происхождения, разработка методов прогнозирования долговременных последствий разработки и эксплуатации земных ресурсов с учетом геодинамических факторов.
Новые научные направления в геомеханике. Из числа новых научных направлений в геомеханике выделяются следующие. Одно из них связано с проблемой охраны окружающей среды. Особенно ощутима острота этой проблемы в высокоразвитых горнодобывающих районах. Совместное влияние горных разработок и промышленных предприятий, связанных, как правило, с переработкой добываемого сырья, изменяет экологически обстановку в горнодобывающих районах. Чтобы не допустить необратимых процессов и сохранить, а возможно, и обогатить природу в этих условиях, необходимо разрабатывать и принимать действенные меры по недопущению или устранению вредных последствий, вызываемых инженерной деятельностью человека.
В ряде случаев горные выработки являются причиной не только деформаций зданий и сооружений, но и образования провалов, неожиданных интенсивных оседаний отдельных участков поверхности, невозможности хозяйственного использования территории, их подтопления, возникновения открытых трещин, глубоких мульд, уступов и т.д.
Опыт стран с развитой угледобывающей промышленностью и высокой плотностью застройки подрабатываемых площадей показывает, что при оценке последствий подработки в современных условиях акцент следует делать на характере и интенсивности повреждения поверхности земли. При оседании земной поверхности происходит сокращение площадей, пригодных для строительства и сельского хозяйства.
В связи с использованием значительных площадей плодородной земли в несельскохозяйственной сфере площадь сельскохозяйственных угодий во всем мире постоянно сокращается. Из-за быстро растущего уровня урбанизации в горнодобывающих районах все острее ощущается нехватка свободных площадей для промышленного и гражданского строительства. Поэтому новое строительство все чаще проектируется над старыми горными выработками, пройденными на малой глубине. Однако риск образования провалов поверхности на этих участках заставляет прибегать либо к переносу строительства на другое, часто невыгодное в отношении коммуникаций и транспортных связей место, либо производить дорогостоящее тампонирование пустот в горных выработках. Перенос строительства, особенно крупного, в большинстве случаев невозможен.
Известно, что при подземной разработке месторождений полезных ископаемых в движение приходят огромные массивы горных пород, в десятки и сотни раз превышающие размеры выработанного пространства. При этом в толще горных пород образуются зоны повышенного горного давления и зоны разгрузки, обрушения и плавного прогиба пород, зоны сквозных и локальных трещин. Происходит неравномерное оседание земной поверхности, сопровождающееся появлением на ней зон растяжения и сжатия, а при больших деформациях - воронок и провалов, трещин, ступеней и уступов. Нарушается гидрогеологический режим подземных и грунтовых вод, происходит осушение или заболачивание больших территорий, что нередко приводит к изменению структуры экосистем, исчезновению отдельных видов флоры и фауны. В зданиях и сооружениях, попадающих в зону вредного влияния горных работ, возникают различные повреждения, усложняющие условия эксплуатации этих объектов и иногда приводящие к выходу их из строя. При наличии в регионе нескольких видов полезных ископаемых несогласованная их отработка может привести к порче и потерям ценного минерального сырья. В определенных условиях нарушение равновесия породного массива, вызванное проведением выработок, приводит к существенному ухудшению экологической ситуации в регионе, возникновению аварий на горных предприятиях и даже к развязыванию таких грозных явлений, как горные удары, крупные оползни, техногенные землетрясения, внезапные выбросы угля, породы и газа.
Для предотвращения вредных последствий горных работ требуется обосновать и создать инженерные методы оценки, прогноза и контроля геомеханического состояния породного массива, позволяющие своевременно определять ожидаемые последствия, обнаруживать предшествующие им признаки и оперативно реагировать на них. Необходимые предпосылки для решения этих задач созданы исследованиями деформационных процессов в толще горных пород и на земной поверхности, позволившие установить закономерности и параметры этих процессов. Указанные исследования позволили также выявить зависимости характера и параметров деформационных и газодинамических процессов от основных влияющих факторов, что создало предпосылки для управления этими процессами.
Другим новым приоритетным направлением в геомеханике является установление закономерностей, количественных зависимостей и характера протекания геомеханических процессов при знакопеременном, цикличном развитии деформаций.
Проведенные в последние годы исследования показали, что геомеханические процессы протекают циклично с развитием знакопеременных деформаций. Регулируя эти процессы, можно управлять развитием деформаций как в пространстве, так и по времени. При подработке водных объектов основное внимание необходимо обращать на предотвращение появления сквозных водопроводящих трещин, что достигается наложением деформаций сжатия на деформации растяжения. При дегазации выбросоопасных пластов, наоборот, следует стремиться к однозначному наложению деформаций с таким расчетом, чтобы в толще пород образовалось как можно больше газопроводящих трещин.
К новым приоритетным направлениям исследований следует отнести обоснования систем мониторинга в горнопромышленных регионах. В настоящее время наблюдения за изменением геомеханического состояния породного массива ведутся различными ведомствами, по разным методикам, с неодинаковой точностью и с другими различиями, при которых сопоставление результатов наблюдений, их обобщение и использование становится практически невозможным. Для решения этой проблемы необходимо обосновать и разработать единую методику проведения и организации мониторинга.

---