книги / Основы механики горных пород

ББК 33.12 Т89

УДК 622.02:531+622.83

Рецензент д-р техн. наук, проф. H. С. Б у л ы ч е в

Т 89 Турчанинов И. А., Иофис М. А., Каспарьян Э. В.

Основы механики горных пород.— Л.: Недра, 1989.— 488 с.: ил.

ISBN 5—247—00485—5

Освещены предмет, метод и основные задачи механики горных по­ род. Описаны способы определения свойств горных пород на образцах и в массиве, а также напряженно-деформированного состояния массива вокруг горных выработок экспериментальными и аналитическими мето­ дами. Изложены основные результаты изучения напряженного состоя­ ния пород вокруг капитальных, подготовительных н очистных выра­ боток. Детально рассмотрены вопросы сдвижения горных пород под влиянием разработки полезных ископаемых, а также условия и при­ чины возникновения горных ударов и внезапных выбросов пород и газа на рудниках н шахтах. Описаны меры предотвращения и локализации горных ударов п внезапных выбросов. Второе издание (1-е нзд.— 1977) дополнено новыми материалами по устойчивости буровых скважин и подземных сооружений.

Для широкого круга инженерно-технических работников горноруд­ ных и угледобывающих предприятий, горного и гидротехнического стро­ ительства, работников научно-исследовательских и проектных институ­ тов.

ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ (ПРАКТИЧЕСКОЕ) ИЗДАНИЕ

Турчанинов Игорь Александрович, Иофис Моисей Абрамович, Каспарьян Эдуард Варужанович

Е.А. С т е р л и н а ИБ № 6598

Сдано в набор 02.08.88.1 Подписано в печать 21.12.88. М-41383. Формат 60X90'/i6Бумага тип. № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Уел.

неч. л. 30,5. Уел. кр.-отт- 30,5. Уч.-изд. л. 32,36. Тираж 3600 экз. Заказ № 2023/743. Цена 2 руб.

Ордена «Знак Почета» .издательство «Недра».

Ленинградское отделение. 193171, Ленинград, С-171, ул. Фарфоровская, 18.

Ленинградская типография Ка 4 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» нм. Евгении Соколовой Союзполнграфпрома прн Го­ сударственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной тор­ говли. 191126, Ленинград, Д-126, Социалистическая ул., 14.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Специальный раздел горных наук— механика горных пород— интенсивно развивается в связи со все возрастающими запросами практики эксплуатации месторождений полезных ис­ копаемых и подземного строительства. Это объясняется рез­ ким ухудшением горно-геологических условии проведения работ, необходимостью разрабатывать месторождения на боль­ ших глубинах и под дном морей и океанов, в условиях повы­ шенных температур и перенапряженных массивов. Все сказан­ ное объясняет повышенный интерес к работам, обобщающим достижения механики горных пород и освещающим внутрен­ нюю логику развития и становления отдельных методов, ко­ торые находят применение в механике горных пород для ре­ шения частных, но крайне существенных вопросов. К подобным работам относится и предлагаемая читателям книга, одним из достоинств которой является систематическое изложение раз­ личных вопросов механики горных пород с позиций единого методологического подхода.

Первое издание книги вышло в 1977 г и было неплохо встречено научной общественностью и работниками горных предприятий. В 1979 г. книга была переведена на английский язык и издана в Соединенных Штатах Америки, с ней смогли познакомиться и наши зарубежные коллеги.

За прошедшие с момента первого издания годы механика горных пород как наука продолжала интенсивно развиваться и к настоящему времени достигнуты новые существенные ре­ зультаты как в области расчетных методов, так и в вопросах экспериментальных исследований в лабораторных и, что осо­ бенно важно, в натурных условиях.

Сказанное побудило авторов к подготовке второго издания, где наряду с новыми методическими разработками и результа­ тами учтены некоторые недфребвтки в погрешности; высказан­ ные специалистами в критическихзамечаниях и рецензиях.

Вместе с тем ряд вопросов под влиянием результатов послед­ них исследований и благодаря познанию более общих законо­ мерностей нуждается в существенной корректировке и изложе­ нии на современном уровне.

В наибольшей степени это относится к некоторым осново­ полагающим концепциям, которые традиционно применялись в механике горных пород. Примером может служить использо­ вание принципов гидромеханики, которые без должных огра­ ничений широко применяются в расчетах горного давления. В предлагаемом издании сделана попытка на новой, более ши­ рокой основе изложить основные вопросы механики горных по­ род, оставив без изменения общую структуру книги, и дина­ мику развития во времени отдельных методов.

Насколько удалась эта попытка, будет в конечном итоге су­ дить читатель, однако следует отметить, что поставленная за­ дача существенно осложнилась, вследствие того что безвре­ менно ушел из жизни один из авторов книги, талантливый ученый и организатор, член-корреспондент АН СССР Игорь Александрович Турчанинов.

В определенной степени подготовка второго, исправленного и дополненного издания книги является одновременно выпол­ нением намерений Игоря Александровича и памятью о его пло­ дотворной деятельности в области механики горных пород.

Академик В. В. Р ж е в с к и й

Непрерывный рост потребностей в минеральном сырье и топливе, необходимость строительства каналов и ороситель­ ных систем, тоннелей, залов и других подземных сооружений ведут к значительному увеличению объемов горных работ. Так, объем добычи полезных ископаемых в Советском Союзе удваи­ вается через каждые 8— 10 лет, при этом все больше вовлека­ ются в добычу месторождения со сложными горно-геологиче­ скими условиями. Отсюда усиливается роль горной науки, в том числе механики горных пород, в повышении эффективности, безопасности и темпов ведения горных работ.

Для осуществления разнообразных технологических процес­ сов в недрах, будь то добыча полезных ископаемых, строитель­ ство подземных объектов различного назначения, возведение фундаментов плотин или бурение глубоких скважин, требуется знать и предвидеть изменения геомеханического состояния ок­ ружающих массивов пород, чтобы в одних случаях гарантиро­ вать устойчивость пород вокруг выработок, устойчивость соот­ ветствующих участков массива, а в других вызвать обрушение заданных участков массива. В местах нахождения людей тре­ буется обеспечить их безопасность. Важно также обеспечить сохранность объектов, сооружений и механизмов, находящихся в зоне влияния технологических процессов в недрах.

Все эти вопросы относятся к механике горных пород — науке о прочности, устойчивости и деформируемости горных пород, горнотехнических объектов и сооружений в поле природных и вызванных влиянием горных работ сил горного давления.

В последние десятилетия одновременно с увеличением влия­ ния механики горных пород заметно возросла сложность вы­ двигаемых перед нею задач. Это обусловлено многими причи­ нами: быстрым ростом глубины горных разработок как под­ земным, так и открытым способом; возрастанием объемов извлекаемой из недр горной массы и мощности рудников, шахт

и карьеров; применением новых систем и способов разработки; увеличением мощности взрывов в системах с массовым обру­ шением и возникающей в связи с этим необходимостью учета влияния динамических нагрузок на состояние массива пород; увеличением плотности застройки горнопромышленных райо­ нов, в том числе на площадях, подверженных влиянию горных работ; строительством сооружений, весьма сложных и чувстви­ тельных к подработке.

Появился ряд новых задач, связанных с расширяющимся строительством и особыми условиями эксплуатации таких дол­ говременных объектов, как подземные хранилища нефти, газа и других видов сырья и материалов, тоннели и подземные ка­ меры, вестибюли метрополитенов, подземные и грунтовые ком­ плексы гидроэлектростанций, глубокие геологические и экс­ плуатационные нефтяные и газовые скважины и др. Сущест­ венно повысился интерес к механике горных пород со стороны смежных дисциплин: геологии, геофизики, сейсмологии, геотек­ тоники, поскольку методами механики горных пород получают непосредственные данные о напряженном состоянии верхней части земной коры, механических свойствах и структурной не­ однородности массивов пород, расширяют возможности моде­ лирования механических процессов применительно к этим дис­ циплинам с использованием способов и приемов, получивших развитие в механике горных пород.

В предвоенные и особенно в послевоенные годы в СССР и за рубежом опубликовано значительное число монографиче­ ских работ, посвященных различным разделам механики гор­ ных пород, а в последние годы издано несколько книг, авторы которых стремились систематизированно изложить основы дан­ ной дисциплины. Среди них работы В. Д. Слесарева [133], К- В. Руппенейта и Ю. М. Либермана [127], В. И. Борщ-Ком- понийца [21], И. В. Баклашова и Б. А. Картозия [10], Ж. Тало-

не всегда рассчитаны на широкий инженерный круг читателей [43, 84, 123, 156].

Между тем необходимость создания книги по механике гор­ ных пород в целом с систематизированным изложением основ­ ных проблем давно уже назрела. Такая работа была необхо­ дима в первую очередь для горных инженеров различных специализаций: эксплуатационников, маркшейдеров, шахто­ строителей и др. Она требовалась также гидростроителям, спе­ циалистам в области инженерной геологии, геотектоники, сей­

смологии и других смежных дисциплин, которым по роду их дея­ тельности необходимо знакомство с основами механики горных пород в целом, ее предметом и методом, но для которых не столь существенны детали, не требуется подробное освещение более узких вопросов. Учитывая это, авторы поставили перед собой задачу написания книги, в которой освещались бы на современном уровне все основные разделы механики горных пород.

Книга была издана в 1977 г. и вызвала определенный ин­

С момента издания книги прошло свыше 10 лет. За это время механика горных пород бурно развивалась, во многих ее разделах получены существенно новые результаты, разра­ ботаны и нашли широкое применение новые методики прове­ дения исследований.

Все это побудило авторов приступить к подготовке второго издания, в котором были бы учтены происшедшие изменения. Однако при этом авторы стремились сохранить общую струк­ туру книги, а также по возможности отражать логику развития отдельных методов и последовательность изменения суждений

омеханизме различных природных явлений и процессов.

Впредлагаемой работе кратко рассмотрено в историческом аспекте развитие и становление механики горных пород как фундаментального раздела горной науки, всегда имевшего су­ щественное значение для практики, освещен вклад русских и советских ученых в развитие данной дисциплины.

Изложены основные представления о породном массиве как объекте исследования механики горных пород, освещены ме­ тоды определения свойств пород в образцах и в массиве, изу­ чения особенностей строения массивов с целью учета струк­ турных неоднородностей и ослаблений при анализе устойчиво­

сти и прочности. Описаны методы исследований, применяемые в механике горных пород для решения различных задач, изло­ жены принципы комплексного подхода к решению задач и учета главнейших влияющих факторов.

Достаточно строго и вместе с тем доступно для читателей без специальной математической подготовки освещены совре­ менные представления о напряженном состоянии массивов по­ род как в условиях их естественного залегания, так и после проведения горных выработок. При этом принято во внимание возможное действие как гравитационного, так и тектонического силовых полей. Приведены характерные иллюстрации и при­ меры использования данных о напряжениях в различных ча­ стях массива пород для целей управления горным давлением н рационального расположения выработок при проведении гор­

ных работ. Изложены методы расчета размеров устойчивых це­ ликов и обнажений.

Рассмотрены механизм и общие закономерности сдвижения горных пород под влиянием разработки, при проведении как подземных, так и открытых горных работ. Описаны методы ох­ раны сооружений, основные способы построения охранных це­ ликов и способы расчета деформаций горных пород и земной поверхности.

Последний раздел книги посвящен динамическим явлениям в массивах пород (стрелянию, горным ударам, внезапным вы­ бросам пород, угля и газа), а также рассмотрению современ­ ных воззрений на механизм этих явлений, изложению основных способов их прогноза и предотвращения или локализации.

Главы 1—3, 5—8, за исключением некоторых дополнений, оставлены такими, какими они были написаны И. А. Турчани­ новым для первого издания книги. Главы 4, 9— 11, а также § 16, 17 гл. 3 и § 30 гл. 5 написаны Э. В. Каспарьяном. Главы 12— 17 написаны М. А. Иофисом.

Существенно переработаны и дополнены М. А. Иофисом главы 18—20, подготовленные для первого издания И. А. Тур­ чаниновым. Предисловие и заключение написаны совместно

М.А. Иофисом и Э. В. Каспарьяном.

Авторы выражают благодарность Г. А. Турчаниновой за

предоставленные материалы чл.-кор. АН СССР И. А. Турчани­ нова, а также искреннюю признательность сотрудникам Гор­ ного института Кольского филиала АН СССР и Института проблем комплексного освоения недр АН СССР, инженернотехническим работникам горнорудных предприятий и шахт, способствовавшим проведению исследований и написанию дан­ ной книги.

Авторы также считают своим долгом выразить большую благодарность д-ру техн. наук, проф. H. С. Булычеву за внима­ тельное рецензирование рукописи и сделанные замечания. Устранение их способствовало более точному изложению мате­ риала и в целом существенно улучшило книгу.

Механика горных пород входит в физику горных пород и процессов в качестве ее части. Рассматривая соотношение фи­ зики горных пород и процессов и механики горных пород, про­ ведем некоторую параллель между этими разделами науки и между физикой и механикой вообще. Становление физики как науки началось именно с формирования и развития механики, выделившейся в XIX в. в самостоятельную науку со своими специфическими методами и областями применения.

Подобную же историческую последовательность развития имеет и физика горных пород и процессов, формирование ко­ торой начинается именно с механики горных пород. В то же время механике горных пород в отличие от механики вообще свойственны специфические методы и области применения, свя­ занные с особенностями горных пород как объекта изучения.

Очевидно, механика горных пород, методы и область при­ менения которой составляют часть таковых в механике вообще (но которая в то же время имеет и определенную специфику), должна рассматриваться в известном смысле как часть меха­ ники, подобно тому как физику горных пород и процессов сле­ дует рассматривать как часть физики, одну из физико-техни­ ческих наук.

Исходя из представления, что деление всех отраслей науки па фундаментальные и прикладные является относительным, механику горных пород следует рассматривать как прикладной раздел механики вообще. В то же время она является одним из фундаментальных разделов горной науки.

В настоящее время механика горных пород не единственная наука, которая входит как составная часть в физику горных пород и процессов. В последние годы, в частности, сформиро­ валась еще одна самостоятельная дисциплина — горнотехноло­ гическое породоведение, специально изучающее и количест­ венно оценивающее свойства горных пород как объектов раз­ работки [12].

Вместе с тем наблюдается также выделение отдельных на­ учных направлений и из механики горных пород. В этой части следует отметить «механику подземных сооружений» — науку о принципах и методах расчета подземных сооружений на прочность, жесткость и устойчивость при статических и дина­ мических воздействиях [28].

По-видимому, отмеченный процесс выделения отдельных на­ учных направлений в самостоятельные разделы будет продол­ жаться и в дальнейшем.

Современное соотношение наук и положение в их системе механики горных пород показано на рис. 1.