Горная геомеханика

ГОРНАЯ ГЕОМЕХАНИКА, механика горных пород (а. rock geomechanics; н. Montangeomechanik; ф. geomecanique des roches; и. mecanica de rocas), — наука о прочности, устойчивости и деформируемости массивов горных пород и горно-технических объектов в условиях горного давления (природного и вызванного горными работами).

Горная геомеханика — один из основных разделов горных наук. Предмет горной геомеханики — механические процессы, происходящие в массиве горных пород и связанные главным образом с проведением в нём горных выработок (формирование напряжённого состояния массивов пород и его изменения в связи с проведением выработок, сдвижение горных пород, взаимодействие пород с крепями горных выработок и др.).

Горная механика решает задачи управления горным давлением, взаимодействия массива пород с крепями и обделкой горных выработок, устойчивости подземных и открытых горных выработок, сдвижения породных толщ и земной поверхности под влиянием горных работ, борьбы с динамическими проявлениями горного давления — горными ударами, внезапными выбросами и др. Для решения задач горной геомеханики используются натурные наблюдения и инструментальные измерения напряжений, деформаций, сдвижений горных пород, моделирование, аналитических методов. Горная геомеханика связана с механикой деформируемой среды, геологией, геотектоникой, инженерной геологией, сейсмологией, из физико-технических дисциплин — со строительной механикой.

Горная геомеханика сформировалась в научную дисциплину в 19 в. в связи с изучением условий обрушения и оседания земной поверхности над горными выработками. В России исследования в области горной геомеханики включали охрану сооружений на поверхности от влияния сдвижения горных пород (Г. Д. Романовский, 1898-1900), изучение взаимосвязи обрушения пород над выработками с применяемыми системами разработки (Б. И. Бокий, 1903), развитие гипотезы свода естественного равновесия пород над выработками, расчёты устойчивых пролётов выработок и величины горного давления (М. М. Протодьяконов, 1907), создание программы изучения сдвижения и обрушений пород (П. М. Леонтовский, 1911-13).

Основополагающие исследования в горной геомеханике были выполнены после Октябрьской революции 1917. Под руководством И. М. Бахурина в Ленинграде в 20-е гг. была создана научная школа по изучению сдвижения горных пород. В 30-е гг. в Киеве сформировалась научная школа во главе с А. Н. Динником, изучавшая поля напряжений вокруг выработок различных размеров и конфигураций на основе теории упругости. В 1935-40 были впервые предложены методы непосредственного определения напряжений в массивах горных пород (Д. Д. Головачёв и Г. Н. Кузнецов); в 1936 разработан метод моделирования с использованием эквивалентных материалов (Кузнецов). В 40-50-е гг. созданы способы расчёта на прочность целиков (Л. Д. Шевяков и др.), инженерные способы расчёта горного давления на основе строительной механики и сопротивления материалов (В. Д. Слесарев, П. М. Цимбаревич). Фундаментальные исследования велись в этот период по теории предельного равновесия применительно к устойчивости бортов карьеров, котлованов и отвалов. В 50-60-е гг. изучен механизм взаимодействия массива пород и крепей горных выработок; при этом было установлено, что крепь следует рассматривать как активный элемент, свойства которого существенно влияют на условия деформирования массива окружающих пород (Г. А. Крупенников и др.). В 60-70-х гг. развивались исследования реологических процессов в массивах горных пород, особенностей деформирования и разрушения горных пород в условиях неравномерных нагрузок при высоком горном давлении (К. В. Руппенейт, Ж. С. Ержанов, Е. И. Шемякин). Благодаря разработке и применению численных методов (конечно-разностного и вариационно-разностного) достигнуты успехи в аналитическом определении напряжённо-деформированного состояния структурно-неоднородных массивов пород. В этот период расширились представления о природе горного давления, связанные с изучением тектонических полей напряжений (М. В. Гзовский, И. А. Турчанинов).

Перспективные направления развития горной геомеханики связаны с изучением механического поведения горных пород на больших глубинах, созданием бесшахтных и безлюдных процессов добычи полезных ископаемых, исследованием влияния на массивы пород динамических нагрузок (массовые взрывы, землетрясения, крупные обрушения), прогнозированием освоения недр Луны и других планет.

За рубежом наиболее крупные исследования в горной геомеханике выполнили: А. Гейм (Швейцария), первым выдвинувший гипотезу о гидростатичности напряжённого состояния массива горных пород; Г. Шпакелер (ГДР), установивший закономерности распределения напряжений в толще пород вокруг очистных пространств в различных горно-геологических условиях; О. Якоби (ФРГ), детально изучивший закономерности горного давления при разработке угольных пластов; Ф. Мор (ФРГ), установивший важные закономерности взаимодействия горных пород и крепей; Р. Феннер (Чили), проведший теоретические и экспериментальные исследования по созданию основ математической теории горного давления; А. Лабас (Бельгия), предложивший способы расчёта горного давления с учётом податливости и других характеристик крепей; Е. Литвинишин (ПНР), развивший статистические методы в приложении к задачам горной геомеханики; Л. Мюллер (Австралия), детально изучивший закономерности горной геомеханики в скальных массивах и решивший ряд конкретных задач их использования в инженерной практике и др.

С 50-х гг. 20 в. проводятся международные конференции по горной геомеханике. При Академии Наук ГДР с 1958 функционирует Международное бюро по механике горных пород. В 1962 организовано Международное общество по механике горных пород, которое проводит раз в 4 года конгрессы. По тематическому плану СЭВ с 1967 ведутся совместные работы по созданию комплексов различной аппаратуры и совершенствованию методов определения напряжений в массиве горных пород.

В СССР исследования по горной геомеханике проводятся в институтах Академии Наук СССР, ИПКОНе, Институте горного дела СО Академии Наук СССР, Горном институте Кольского филиала Академии Наук СССР, Институте физики и механики горных пород Академии Наук Киргизской ССР, Институте геотехнической механики Академии Наук УССР, Институте горного дела Академии Наук Казахской ССР, отраслевых научно-исследовательских институтах — горной геомеханики и маркшейдерского дела, горного дела им. А. А. Скочинского, Гидропроекте, а также в горных вузах — Московском, Ленинградском и Днепропетровском.