Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2014, № 12 (спецвып.)

УДК 622.02:531
 
Р 95

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным 
для взрослых» СанПиН 1.2.1253—03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). 
Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору 
в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.
Д.014367.12.13

Представленные в монографии исследования выполнены 
при поддержке гранта РНФ №14-17-00255

© М.В. Рыльникова, В.А. Еременко, 
 
Е.Н. Есина, 2014
© Издательство «Горная книга», 2014
© Дизайн книги. 
 
Издательство «Горная книга», 2014

ISSN 0236-1493

УДК 622.02:531

Рыльникова М.В., Еременко В.А., Е.Н. Есина
Р 95  
Условия формирования зон концентрации энергии 
горного массива: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Научная 
монография (специальный выпуск). — 2014. — № 12. — 
179 с. — М.: издательство «Горная книга» 
ISSN 0236-1493

Приведены результаты исследований закономерностей напряженно-деформированного состояния массива горных пород в части 
выявления «энергетических центров», как потенциальных источников 
извлечения и преобразования энергии колебаний и деформаций горного массива при различных классах и параметрах систем разработки. 
Выполнена оценка зон распространения и величин концентрации 
напряжений в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий разработки.
Для исследователей в области наук о Земле, руководителей и 
инженерно-технических работников горнодобывающих предприятий, 
научно-исследовательских и проектных организаций, преподавателей 
и студентов горных ВУЗов и факультетов.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, массив, горные породы, система разработки, численное моделирование, 
напряжения, деформации, коэффициент концентрации, выработка, 
боковое давление, разгрузочная полость.

© М.В. Рыльникова, В.А. Еременко, Е.Н. Есина

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЗОН 
КОНЦЕНТРАЦИИ ЭНЕРГИИ 
ГОРНОГО МАССИВА

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние горного производства характеризуется, с одной стороны, исчерпанием запасов богатых руд, а с 
другой — недостаточным восполнением минерально-сырьевой 
базы новыми месторождениями. В таких условиях предприятиям приходится вовлекать в промышленную эксплуатацию 
запасы бедных и забалансовых руд, изыскивать способы 
снизить себестоимость добычи единицы продукции. В этой 
связи особую актуальность приобретают вопросы энергоэффективности горного производства.
Для существенного повышения эффективности функционирования горных предприятий необходимо создание задела в 
области преобразования нетрадиционных источников энергии, 
формируемой в ходе разработки месторождений полезных ископаемых в электрическую, предназначенную для реализации 
технологических процессов добычи и переработки руд. Одним 
из основных мощных возобновляемых техногенных источников энергии практически неограниченной величины является 
горное давление, возникающее в ходе разработки полезных 
ископаемых. Традиционно — это фактор, осложняющий 
ведение горных работ. Известно, что при проектировании и 
разработке месторождений полезных ископаемых, технологические процессы по управлению горным давлением формируют существенную часть затрат на добычу руды и обеспечение 
безопасности горных работ. Данные затраты существенно 
растут с увеличением глубины горных работ. При этом более 
остро стоит проблема повышения их безопасности.

Задачей исследования является эффективное управление 
процессами преобразования новых нетрадиционных источников энергии, формирующихся при разработке месторождений 
твердых полезных ископаемых в электрическую.
Подземные горные работы, которые проводятся на месторождениях с целью добычи твердых полезных ископаемых, 
нарушают сплошность массива горных пород [1, 2]. Перераспределяется природное поле напряжений, формируются зоны 
концентрации и разгрузки сил в конструктивных элементах 
горнотехнических систем и вблизи контура горных выработок 
по всему периметру обнажений [3–5]. На значительных расстояниях от выработок и очистного пространства наблюдаются 
смещения, из-за неравномерности которых происходит деформирование массива и изменение его напряженного состояния. 
Наблюдаются статические проявления горного давления, которые происходят в течение длительного времени (рис. 1, а). 
Технологические и массовые взрывы инициируют выделение 
сейсмической энергии в горном массиве и провоцируют динамические проявления горного давления, которые происходят 
мгновенно с выделением огромной энергии (рис. 1, б).
Горные предприятия потребляют до 10% всей производимой в горнодобывающих странах электроэнергии. Снижение 
энергетических затрат на производство основных и вспомогательных технологических процессов, а также применение 
способов рекуперации энергии являются перспективным направлением ресурсосбережения и повышения эффективности 
функционирования горнотехнических систем. В процессе 
подземной разработки месторождений полезных ископаемых, 
управляя энергией массива горных пород, появляется возможность использования энергии горного давления в качестве 
собственного дополнительного источника механической и 
электрической энергии [6–8]. Проведение исследований в 
данной области имеет свои особенности. Например, контролировать и оперативно управлять процессами деформирования массива в ходе подземной разработки месторождений на 
больших глубинах весьма сложно и ответственно. Учитывая 

регистрируемую величину горного давления до 100 МПа и 
более на глубине 1000 м, устройства для преобразования энергии должны обладать повышенной несущей способностью и 
высокой прочностью.
После вскрытия горными выработками рудного участка 
на месторождении, массив, в большей степени обладающий потенциальной энергией, начинает активизироваться с 
выделением значительных объемов кинетической энергии. 

Рис. 1. Статические проявления горного давления в рудном штреке Холбинского рудника (гор. +1490 м) и последствия горного удара на Таштагольском 
руднике (орт 12, гор. –350 м)

а

б

Массив смещается, деформируется, разрушается, проявляется 
техногенная трещиноватость. Наибольшее влияние оказывают 
взрывные работы, а также накопленные на рудниках технологические подземные пустоты.
В качестве энергоносителя выступает энергия деформируемого массива горных пород (механическая энергия), 
зоны концентрации которой формируются при техногенном 
нарушении сплошности массива в условиях действия вертикальных гравитационных и горизонтальных гравитационно-тектонических напряжений. Устройство съема энергии, 
или несколько устройств, устанавливаются в зоне ведения 
очистных, подготовительных и нарезных работ. Рабочие 
поверхности устройства ориентируются перпендикулярно 
направлению действия максимального давления и смещения 
(деформирования) породного массива.
Для эффективности работы разрабатываемого способа 
необходимо обеспечить высокую полноту комплексного 
извлечения энергоресурсов. Полнота извлечения энергоресурсов достигается при установке (работе) оборудования в 
массивах, в которых регистрируются максимальные смещения 
приконтурной части выработанного пространства (структурно 
нарушенные и напряженные массивы, пластичные условия, 
амплитудные смещения (дышащие массивы) и т.п.). В удароопасных массивах горных пород устройства для преобразования энергии должны обладать повышенной прочностью, 
учитывая величину горного давления. Например, при аккумулировании механической энергии внешнего воздействия на 
упругую систему энергоносителя (удароопасные массивы) и 
при совпадении их собственных частот возможен резонансный 
эффект, который проявляется в виде значительного возрастания амплитуд колебания упругой системы энергоносителя 
при сравнительно небольшой возмущающей силе внешнего 
воздействия. В качестве источника внешнего воздействия 
возможно использование вибратора.
Разрабатываемый способ в условиях влияния тектонических нарушений с учётом фактора времени на напряженное 

и деформированное состояние массива горных пород, в т.ч. 
в сейсмоактивных регионах перспективен для строительства 
подземных энергостанций.
Применение разрабатываемого способа включает несколько 
этапов подготовки в массивах горных пород:
1. Процесс образования в напряженных и деформируемых 
участках массива горных пород технологических пустот (выработки, камеры и пр.).
2. Установка оборудования способного извлекать энергию 
(горного давления) с энергоносителя (напряженного и деформируемого массива горных пород) на устройство съема 
энергии.
3. Процесс воздействия на участки рекуперации энергии 
горного давления — технологическое, взрывное, вибрационное 
воздействие и др.
Для эффективного применения разрабатываемого способа 
проведены теоретические и экспериментальные исследования 
по установлению закономерностей напряженного и деформированного состояния массивов горных пород в части выявления «энергетических центров» — источников получения 
электроэнергии при различных классах и параметрах систем 
разработки. Проведена оценка зон распространения и величины концентрации напряжений в зависимости от горногеологических и горнотехнических условий.

1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЗОН 
КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ 
ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 
ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ 
С РАЗЛИЧНЫМ ИСХОДНЫМ НАПРЯЖЕННЫМ 
СОСТОЯНИЕМ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

Механизмы формирования зон концентрации напряжений 
и динамических явлений на месторождениях различаются в 
силу разнообразия механических характеристик пород, форм 
разрушения в разрабатываемых шахтных полях, отличия исходного природного напряженного состояния массива горных 
пород, а также разгрузки массива в результате проходки, проведения взрывов и др. (рис. 1.1) [4, 9].
Еще в 1940-е годы проф. Слесарев В.Д. высказал идею о 
наличии впереди очистного забоя разрушенной части пласта 
угля, прилегающей к выработанному пространству и обусловливающей перемещение зоны опорного давления вглубь 
угольного массива (рис. 1.2) [10]. По его определению горное 
давление есть следствие деформаций пород, равновесие которых нарушено проведением выработок. Деформации, в свою 
очередь, являются следствием напряженного состояния горных 
пород и определяются величиной действующих в породах напряжений и характером их деформирования. В зависимости 
от глубины залегания выработки, ее размеров, характеристик 
пород, в которых она проведена, интенсивность деформации 
породного массива может быть различна. Нарушение выработки, как со стороны кровли и боков, так и со стороны почвы 
является результатом проявления напряжений — вертикального и бокового давления по контуру выработки. При этом, по 
мнению В.Д. Слесарева, самым значительным давлением, как 
по своему постоянному присутствию, так и по вызываемым 
нарушениям, является вертикальное давление [10].
На основе большого объема инструментальных наблюдений 
была решена проблема горных ударов на угольных шахтах 
Кизеловского бассейна [11]. По результатам выполненных 

Рис. 1.1. Разрушения борта выработки в условиях пластичного 
деформирования массива с гравитационно-тектонических исходным 
напряженным состоянием горных 
пород на Холбинском руднике в 
Бурятии (а, б, в), «Black Swan» (г) и 
«Agnew» в Австралии (д)

а
б

в

г

д

исследований стали говорить о зоне с предельно напряженным 
состоянием и о предельном ее насыщении потенциальной 
энергией. При этом зона опорного давления определялась не 
как зона разрушенного горным давлением угля, а как зона, в 
которой напряжения распределяются в зависимости от степени 
устойчивости краевой части пласта, возрастающей при удалении от его края. Малейшие изменения в устойчивости краевой 

части пласта (например, внедрение бара машины, проведение взрыва и др.) вызывают немедленное перераспределение 
нагрузок в этой зоне, передачу их вглубь массива. Угольный 
пласт в рассматриваемой зоне сохраняет способность накапливать потенциальную энергию упругого сжатия, запасы 
которой пропорциональны квадрату величин действующих 
напряжений. Это положение о предельном насыщении потенциальной энергией является основой новых представлений о 
зоне предельно напряженного состояния [11].
Профессор И.М. Петухов также указывает на то, что 
ширина зоны предельно напряженного состояния впереди 
очистного забоя изменяется, существенно возрастая в районе подвигающегося уступа впереди бара комбайна [12]. При 
расстоянии, менее  0 3 0 5
,
,
÷
l  (где l — ширина зоны опорного 
давления), дальнейшее подвигание очистного забоя приводит к 
увеличению скоростей деформации угля и сближения боковых 
пород (рис. 1.3). Данный процесс происходит из-за перераспределения нагрузок на пласт, вызванного взаимодействием 
двух зон опорного давления: зоны, установившейся впереди 
очистного забоя в целом, и зоны, вызванной влиянием подвигающегося уступа. При этом следует, что до появления уступа 
впереди очистного забоя в угольном пласте существовало 
предельно напряженное состояние и предельное насыщение 
массива потенциальной энергией упругого сжатия. Появление зоны опорного давления впереди уступа создает условия 
нестабильности, при которых впереди забоя формируется 
общая зона предельно напряженного состояния.

Рис. 1.2. Влияние выработки на боковые породы (по проф. В.Д. Слесареву): 

1 — эпюра распределения напряжений; А — зона пониженных напряжений (зона 
разгрузки); В — зона повышенного давления (зона опорного давления); С — зона 
нормального давления