Геомеханика : в 2 т. Т. 1. Основы геомеханики

МОСКОВСКИЙ 
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ 

УНИВЕРСИТЕТ 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

СОВЕТ ИЗДАТЕЛЬСТВА 

МОСКОВСIЮГО 

ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО 

УНИВЕРСИТЕТА 

Председаmель 

Л.А. ПУЧКОВ 
ректор МГГУ, 

чл.-корр. РАН 

ЗаА~. председаmелн 

л.х. гитис 
директор 

Издательства МГГУ 

Члены редсовета 

И.В. ДЕМЕНТЬЕВ 
академик РАЕН 

А.П. ДМИТРИЕВ 
академик РАЕН 

Б.А. КАРТОЗИН 
академик Р 
А ЕН 

М.В. КУРЛЕНЯ 
академик РАН 

Н.И. ОСИПОВ 
академик РАН 

э.м. соколов 
академик МАН 
ВШ 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 
академик РАН 

В.В. ХРОНИН 
профессор 

И.В. Баклашов 

ГЕО МЕХАНИКА 

В двух томах 

Том 1 

ОСНОВЫГЕОМЕХАНИКИ 

Допущено Министерством образования и науки 

Российской Федерации в качестве учебника для 

студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 

и магистров «Горное дело» и по специальностям 

«Физические процессы горного или нефтегазового производства>> и «Шахтное и подземное строительство>> направления подготовки дипломированных специалистов «Горное дело>> 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
московского 

ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 
2004 

ВЫСШЕЕ ГОРНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 

у 
дк 622.02:531 

ББК 33.1 

Б 19 

Экспертиза проведена 

Аfинистерством образования и науки Российской Федерации 

(приказ N!! 1564 от 08.04.2004) 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям 
юmжным для взрослых. СанПиН 1.2.1253-03», утвержденным 

Главным государственным санитарным врачом России 
30 марта 2003 г. 

Рецензенты: 

Кафедра «Горное дело и проведение горно-разведочных выработок» 

Московского государственного геологоразведочного университета 

(зав. кафедрой проф., д-р техн. наук Л. Г Грабчак) 

Ведущий научный сотрудник ИПКОН РАН, 

д-р техн. наук В.Н. Одинцев 

Баклашов И.В. 

Б 19 
Геомеханика: Учебник для вузов. В 2 т.-- М.: Издательст
во Московского государственного горного университета, 2004. 
-Т. 1. Основы геомеханики.- 208 с.: IOI. 

ISBN 5-7418-0325-3 (в пер.) 

В nервом томе учебника изложены основы rеомехаишш: рассмо-rрены мехаинческие cвoйCilla горных nород и сгруюурно-мехаиические особенносш nородНых 

массивов, nриведены основные методы матемап1ческого модеmqюваиия rеомехаинческих nроцессов. При этом нанболее nодробно оnисан внутренний механизм деформирования н разрушения горных nород 11 nородНых массивов, с единых методНческiiХ 

noэiЩIIЙ IDЛожено nосгроенне rеомехшшческнх моделей, раскрьшшощнх фундамен· 

тальные закономерносп1 rеомехаиическнх nроцессов. 

И.В. Баклашов- д-р техн. наук, nроф. кафедры «Фшика горных nород н nроцессов» Московского государСillенного горного уннверсиrеrа. 

Для сгуде!Пов высших учебных заведений, обучшощихся по нanpaWieHIUO nодготовки бакалавров и магнегров <<Горное дело>> н по сnецнальносrям <<Физические 

nроцессы горного IUDI нефтегазового npoшвoдCilla>> н <<Шaxrnoe н nодземное сгрон"rеЛЬСiliО>> наnраWiения nодготовки диnломнрованньiХ сnецналисrов <<Горное дело>>. 

ISBN 5-7418-0327-Х 
ISBN 5-7418-0325-3 (Т. 1) 

у 
дк 622.02:531 

ББК 33.1 

© И.В. Баклашов, 2004 

©Издательство МГГУ, 2004 
© Дизайн книги. Издательство 

МГГУ, 2004 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Реформа высшей IШ<олы в России и на Украине, предусматривающая перевод образования на многоуровневую подготовку и 

введение Государсrвенных образовательных стандартов, требует 

обновления содержания и методических основ фундаментальных 

технических дисциплин, приведение их в соответсrвие с новой 

концеrщией высшего образования. 

В связи с этим заметно усиливается роль учебной литературы в образовательном процессе. Настоящий учебник написан по 

одноименной дисциrшине, входящей в образовательную программу подготовки бакалавров, горных инженеров и магистров для 

специальностей направления «Горное дело». Геомеханика как наука и учебная дисциплина, по определению академика В.В. Ржевского, является фундаментШiьной базой строительной, подземной и 

открытой горных технологий. 

Однако, несмотря на огромное количество научных публикаций, среди которых есть ряд серьезных обобщающих монографий, а также то, что дисциплина «Геомеханика» («Механика горных пород») преподается в вузах горного профиля более 70 лет, общевузовский учебник по ней так и не был создан. 
И это не случайно, так как систематизировать весь круг вопросов геомеханики крайне сложно, и прежде всего в методическом 

отношении. Вузы, как правило, ограничивались изданием конспектов лекций и отдельных учебных пособий, отражающих 

специфику прикладных задач различных сфер инженерной деятельности, подземного строительства, маркшейдерии, добычи полезных ископаемых и т. п. 

За истекшие годы теоретические и экспериментальные исследования в геомеханике вышли на качесrвенно новый уровень. 

Последние пять лет характеризуются резким возрастанием статуса 

горных наук, в том числе и геомеханики, обеспечивающей горняков знаниями о физико-механических cвoйciiUJax горных пород, 

механических процессах в породных массивах и поведении горнотехнических объектов в поле CWI горного давления. В 1997 году 

она бьmа включена в новую классификацию горных наук. Разумеется, все эти позитивные изменения и практический опьrr использования знаний геомеханики в решении инженерных задач горного производсrва рано или поздно должны бьти найти свое логическое отражение в учебной литературе, и в этом смысле появление 

нового учебника представляется своевременным. 

Целью изучения дисциплины является приобретение студентами знаний и умений, необходимых для самостоятельного 

творческого решения задач по оценке механического состояния мас
5 

сивов горных rwpoд и горнотехтtческих объектов при освоении георесурсов недр. Ее изучение происходит пуrем проелушивания курса 

лекций, вьmолнения лабораторных и практических работ с последующим закреплением полученных знаний при курсовом проектировании и прохождении произведетвенной практики. 

В результате студент должен знать общие закономерности 

деформирования и разрушения породного массива, формирования 

его напряженно-деформированного состояния при ведении горных 

работ, основные методы определения механических свойств пород, 

оценки механического состояния породного массива и управления 

этим состоянием. 

Студент должен уметь, пользуясь нормативными документами или применяя специальные методы, оценивать напряженнодеформированное состояние пород, вмещающих горнотехнические 

объекты, прогнозировать устойчивость горных выработок, научно 

обосновывать методы и способы управления горным давлением. 

Он должен владеть профессионмьной терминологией, основными 

нормативными документами, метрологическими пра8Шlами и стандартами. 

При написании учебника авторы использовали многолетний 

опьП' преподавания указанной дисциплины в Московском государственном горном университете, Национальной горной академии Украины и в других ведущих высших учебных заведениях 

горного профиля России и Украины. 

Учебник состоит из трех крупных взаимосвязанных разделов. Первый раздел посвящен фундаментальным положениям геомеханики и изложен в 1-м томе. Bтopoi'i раздел (основы учения о 

механических процессах в породных массивах и методы их изучения) и третий (прикладные задачи геомеханики) представлены во 

2-мтоме. 
В целом, по мнению авторов, первый межвузовский учебник 

по геомеханике в достаточной мере удовлетворяет требованиям 

Государственных образовательных стандартов России и Украины. 

Авторский коллектив выражает глубокую благодарность 

ректору Московского государственного горного университета 

Л.А. Пучl<'ову и ректору Национальной горной академии Украины 

Г. Г. Пивняку, по инициативе и при активной поддержке которых 

издание данного учебника стало объективной реальностью. 

Авторы с благодарностью примуr все конструктивные замечания и предложения читателей. 

ВВЕДЕНИЕ 

Предмет геомеханик:и 

Геомеханика как раздел механики (науки о движении 

материи) занимается изучением движения земной коры 

(литосферы), точнее, изучением механических свойств горных пород и породных массивов, слагающих земную кору, и механических процессов в земной коре под воздействием различных природных сил (гравитации, температурного поля Земли и др.), в том числе под воздействием инженерной деятельности человека в виде горных и строительных работ. В зависимости от вида и места этой деятельности выделяются: горная геомеханика, или механика 

горных пород и массивов, сокращенно механика горных 

пород, изучающая последствия горных работ, и механика 

грунтов, изучающая последствия строительных работ на 

поверхности. 

Механика груюпов (soil mechanics) занимается изучением механических свойств грунтов и грунтовых массивов 

и механических процессов, возникающих в них при производстве строительных работ на поверхности или вблизи 

поверхности. Следует заметить, что изучением аналогичных проблем занимается также инженерная геология. 

Механика гориых пород (rock mechanics), или горная 

геомеханика, занимается изучением механических свойств 

горных пород и массивов и механических (геомеханических) процессов, возникающих в них при производстве 

горных работ. Необходимо обратить внимание, что рус­

ский перевод часто неправильно записывается как «механика скальных пород» с целью подчеркнуть отличие ее от 

механики грунтов, хотя по существующей классификации 

грунты могут быть скальными. Главное заключается в 

том, что механика горных пород изучает механические 

последствия горных работ, подземных и открытых, в том 

числе открытых вскрышных горных работ в грунтовых 

массивах. Вместе с тем следует признать, что для механи
7 

ки горных пород и механики грунтов не существует строгого разграничения по объектам изучения: более существенное различие состоит в методах изучения и модельном 

представлении механических процессов. 

Предметом настоящей учебной дисциплины «Геомеханика» является главным образом механика горных пород и отдельные фундаментальные положения механики 

грунтов, ориентированные на горные и горно-строительные работы. 

Основные понитин и определении 

Остановимся на основных геомеханических понятиях 

и определениях, сформулированных в учебнике «Механические процессы в породных массивах» [1]. 

Горные породы естественные минеральные агрегаты более или менее постоянного состава, сформировавшиеся в результате геологических процессов и залегающие в 

земной коре в виде самостоятельных литологических разностей. 

Литологическая разность часть земной коры, сложенная одноименной горной породой. 

Массив горных пород (породный массив) связанная 

часть земной коры, сложенная одной или несколькими литологическими разностями, в пределах которой локализуются все механические процессы, обусловленные горными работами. 

Образец горной породы- часть горной породы, изъятая из естественно залегающей литологической разности 

для экспериментальноГо определения ее свойств, размеры 

которой больше элементарного объема горной породы. 

Элементарный объем горной породы фундаментальное понятие в геомеханике наименьший объем горной породы, который сохраняет все ее свойства. Соответственно площадь сечения элементарного объема элементарная площадка, линейный размер элементарная 

8 

дтта. Объемы породы меньше элементарного обладают 

физическими свойствами, отличными от свОйств горной 

породы. 

Образец массива горных пород часть массива горных пород, изъятая из естественного залегания для экспериментального определения его свойств, технически доступные размеры которой обычно меньше размеров элементарного объема массива горных пород. 

Элементарный объем массива гориых пород наименьший объем массива, который сохраняет все его свойства. Судя по определению технически доступного образца 

массива горных пород, его свойства не дают возможности 

составить представления о свойствах массива в целом. 

В геомеханике под свойствами горных пород и массивов горных пород имеются в виду механические свойства: деформируемость и прочность. Необходимо подчеркнуть, что даже при соблюдении размеров образцов больше элементарных объемов, механические свойства образцов горной породы и массива горных пород не соответствуют механическим свойствам горной породы и массива 

горных пород. Поэтому целесообразно привести определения механических свойств горной породы, массива горных пород и соответствующих образцов. 

Мехаиические свойства гориой породы это класс 

физических свойств, характеризующий поведение горной 

породы в условиях различных механических воздействий. 

Механические свойства образца гориых пород это механические свойства части горной породы, изъятой из естественно залегающей литологической разности и имеющей 

размеры не менее элементарного объема горной породы. 

Мехаиические свойства массива горных пород это 

класс физических свойств, которые характеризуют поведение массива в условиях различных механических воздействий и которые, как правило, не могут быть определены как механические свойства технически доступных образцов массива. 

9 

Механические свойства образца массива горных пород 
это механические свойства части массива, изъятого из естественного залегания и имеющего размер обычно меньше элементарного объема массива. 

Изучение механических свойств горных пород и массивов является вспомогательной зада чей в геомеханике, 

основная задача изучение геомеханических процессов. 

Геомеханические процессы, или механические процессы в горных породах и массивах горных пород, это механические процессы деформирования, перераспределения напряжений и разрушения. 

Сами геомеханические процессы обычно скрыты от 

наблюдателя. Предметом наблюдения являются проявления геомеханических процессов или проявления горного 

давления и геомеханическое состояние массива горных 

пород. 

Проявления геомехаиических процессов это инструментальна или визуально наблюдаемые реализации геомеханических процессов в виде смещений, обрушений, горных ударов и т. д., как правило, осложняющие технологию горных работ, а в некоторых случаях используемые 

для ее совершенствования. 

Геомехаиическое состояние это совокупность показателей, характеризующих деформируемость, прочность и 

устойчивость массива при определенном силовом воздействии, т. е. характеризующих уровень развития геомеханических процессов деформирования, перераспределения 

напряжений и разрушения.