Геомеханическое обоснование подземных горных работ : очистные горные работы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2824 

Кафедра геотехнологий освоения недр 

Б.Д. Терентьев 
В.В. Мельник 
Н.И. Абрамкин 

Геомеханическое обоснование
подземных горных работ 

Очистные горные работы 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва 2016 

УДК 622:378 
 
 Т35 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. ННИ ГП ИГД им. А.А. Скочинского А.В. Джигрин 

Терентьев Б.Д. 
Т35  
Геомеханическое обоснование подземных горных работ : очистные горные работы : учеб. пособие / Б.Д. Терентьев, В.В. Мельник, Н.И. Абрамкин. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2016. – 258 с. 
ISBN 978-5-906846-28-0 

В учебном пособии рассмотрены вопросы определения напряженнодеформированного состояния (НДС) горных пород при очистной выемке 
угольных пластов. Рассмотрены геомеханические процессы, происходящие 
при ведении горных работ, а также технологические способы изменения напряженно-деформированного состояния пород, основные способы обеспечения устойчивости горных выработок в процессе их эксплуатации. Приведены 
классификация крепей выработок и расчетные схемы определения несущей 
способности крепей. Материал представлен в доступной форме. 
Для студентов, обучающихся по специальности 130404 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» направления подготовки 
21.05.04 «Горное дело». 

УДК 622:378 

ISBN 978-5-906846-28-0 
 Б.Д. Терентьев, В.В. Мельник, 
Н.И. Абрамкин, 2016 
 
 НИТУ «МИСиС», 2016 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение .................................................................................................... 6 
1. Понятие о горном давлении ................................................................. 8 
1.1. Геомеханические составляющие горного давления ................... 8 
1.2. Гипотезы горного давления ........................................................ 11 
1.2.1. Гипотезы горного давления в подготовительных 
выработках ...................................................................................... 11 
1.2.2. Гипотезы горного давления в очистных забоях ................ 23 
2. Напряженное состояние верхней части земной коры ..................... 34 
3. Составляющие общего поля напряжений ........................................ 41 
4. Геомеханические процессы при проведении выработки 
в массиве пород ...................................................................................... 46 
5. Напряженное состояние пород вокруг выработок 
и устойчивость породных обнажений .................................................. 58 
6. Основные способы обеспечения устойчивости  
горной выработки ................................................................................... 70 
7. Взаимодействие крепи с массивом горных пород ........................... 83 
8. Крепление горных выработок ........................................................... 93 
8.1. Классификация крепей горных выработок ............................... 93 
8.2. Определение расчетной нагрузки на инвентарную крепь ....... 97 
8.3. Выбор типа инвентарной крепи  и определение 
ее несущей способности..................................................................... 98 
8.4. Расчёт параметров крепи выработок, расположенных 
в зоне влияния очистных работ ....................................................... 101 
9. Анкерное крепление горных выработок ........................................ 105 
9.1. Расчет параметров анкерной крепи для кровли 
выработок .......................................................................................... 108 
9.2. Определение расчетных смещений кровли 
выработки, закрепленной анкерной крепью .................................. 109 
9.3. Выбор конструкции анкерной крепи ....................................... 113 
10. Охрана и поддержание горных выработок ................................... 114 
10.1. Охрана выработок целиками угля .......................................... 114 
10.2. Охрана выработок крепями усиления .................................... 116 
11. Методы исследования проявлений горного давления ................ 125 
11.1. Методы определения величины сдвижения горных 
пород .................................................................................................. 125 
11.2. Методы определения напряжений в массиве горных 
пород .................................................................................................. 128 

11.3. Методы определения нагрузок на крепи горных 
выработок .......................................................................................... 133 
11.4. Моделирование геомеханических процессов ....................... 135 
12. Геомеханические процессы в зонах влияния 
очистных работ шахт ............................................................................ 143 
12.1. Процессы деформации пород кровли очистных 
выработок .......................................................................................... 143 
12.2. Основные характеристики свойств кровли 
угольных пластов .............................................................................. 150 
12.3. Влияние производственных операций 
на состояние кровли при очистных работах .................................. 153 
12.4. Периодичность деформаций кровли в очистных забоях ..... 160 
12.5. Разрушение пород кровли и вывалообразование ................. 168 
12.6. Периодичность геомеханических процессов 
в породах впереди очистного забоя ................................................ 176 
12.7. Влияние технологических операций очистных работ 
на геомеханическое состояние массива ......................................... 182 
12.8. Геомеханические основы выбора механизированных 
крепей очистных забоев ................................................................... 192 
12.8.1. Принципы взаимодействия крепей 
с вмещающими породами ............................................................ 192 
12.8.2. Методика обоснования величины нагрузки 
на механизированные крепи с учетом геомеханических 
процессов в очистном забое ........................................................ 197 
12.8.3.Методика выбора механизированных крепей 
на основе геомеханических характеристик 
пород очистного забоя ................................................................. 202 
13. Управление геомеханическими процессами 
при работе очистных забоев ................................................................ 208 
13.1. Управление геомеханическими процессами 
в лаве путем изменения её пространственного расположения .... 208 
13.2. Геомеханическое обоснование и технология 
воздействия на труднообрушаемые породы (кровли) ................... 211 
13.2.1. Предварительное разрушение кровли 
путем торпедирования ................................................................. 211 
13.2.2. Ослабление труднообрушаемых кровель 
с использованием гидроторпедирования ................................... 215 
13.2.3. Схемы расположения скважин и параметры 
их заложения ................................................................................. 217 

13.3. Влияние геомеханических процессов на разупрочнение 
углепородного массива .................................................................... 221 
13.3.1. Связь геомеханических процессов 
при очистных работах и отжима угля в лаве ............................. 221 
13.3.2. Влияние геомеханических процессов 
на формирование вывалов в очистных забоях ........................... 225 
13.4. Способы укрепления неустойчивого породного 
массива............................................................................................... 229 
13.4.1. Обработка неустойчивых и обводненных 
пород водными суспензиями ....................................................... 231 
13.4.2. Ангидритовые вяжущие вещества .................................. 232 
13.4.3. Электрохимическое укрепление ..................................... 232 
13.4.4. Термическое укрепление пород ...................................... 233 
13.4.5. Укрепление механическими анкерами 
и синтетическими смолами .......................................................... 233 
14. Геомеханические основы расчета крепи 
сопряжений горных выработок ........................................................... 235 
14.1. Теоретические основы метода расчета .................................. 235 
14.2. Расчет геометрических параметров сопряжений 
подготовительных выработок ......................................................... 238 
15. Геомеханичесике процессы в штреках при различных 
порядках отработки выемочных полей .............................................. 242 
15.1. Геомеханические процессы при нисходящем 
и восходящем порядках отработки участков ................................. 242 
15.2. Принципы раскройки участков шахтных полей 
в условиях многокомпонентного поля напряжений ...................... 250 
Библиографический список ................................................................. 255 
 

Введение 

Дисциплина «Геомеханическое обоснование подземных горных 
работ» является заключительной в курсе «Геомеханика». 
Разработка месторождений полезных ископаемых и строительство 
горнотехнических сооружений различного назначения приводят к 
нарушению естественного напряженного состояния массива (появлению областей повышенных и пониженных напряжений, деформации в них пород с различной скоростью и интенсивностью, превращению отдельных участков массива из сплошной связной среды в 
несвязную сыпучую или дискретную блочную, сдвижению или обрушению пород с образованием на земной поверхности мульд, 
оползней и провалов). 
Необходимость научного обоснования выбора способов и параметров строительства горнотехнических сооружений вызвана задачами, решаемыми при разработке месторождений полезных ископаемых. Для научнообоснованного выбора способов и параметров 
разработки полезных ископаемых необходима совокупность знаний: 
во-первых, о естественном напряженном состоянии массива (составе, 
расположении и свойствах слагающих его пород, их трещиноватости 
и связанности, величинах и направлении напряжений и внешних 
сил); во-вторых, о характере, закономерностях, количественных показателях и размерах областей, в которых возникают деформации и 
нарушения, сдвижения и обрушения в связи с проведением в массиве 
горных выработок. 
Эти исследования позволяют получить достоверные данные о механических показателях и напряжениях в различных массивах и о 
влиянии основных естественных и производственных факторов на 
характер и интенсивность деформаций, разрушений и сдвижений 
массива, что, в свою очередь, дает возможность оценить приемлемость и область применения различных гипотез, а также других научных положений о прочности и деформируемости материалов и 
конструкций и, как следствие, разработать инженерные методы решения основных практических задач горной геомеханики. 
Предметом научной дисциплины является комплексное изучение 
указанных горно-геомеханических состояний и процессов, установление их количественных показателей и зависимостей от горногеологических и горнотехнических факторов для расчётов и выбора 
рационального расположения выработок в массиве, необходимых 

способов и средств их проведения, охраны и крепления, а также защиты охраняемых сооружений и природных объектов при разработке полезных ископаемых и строительстве других инженерных сооружений. 
Задачей дисциплины «Геомеханическое обоснование подземных 
горных работ» является развитие у студентов знаний о закономерностях проявления горного давления в массиве горных пород при разработке угольных месторождений, способах управления горным давлением и геомеханическими процессами в подготовительных и очистных выработках. 
Переход угольных шахт России на высокоинтенсивные технологии разработки угольных пластов и месторождений ведёт к росту 
нагрузок на очистные забои и увеличению темпов проведения подготовительных выработок. В этих условиях предъявляются высокие 
требования к обеспечению безопасного ведения горных работ. Для 
снижения аварийности на угольных шахтах необходимо создание 
эффективных и безопасных технологических схем подготовки и отработки выемочных полей и участков угольных пластов, учитывающих совокупное влияние геомеханических, горно-геологических и 
горнотехнических факторов. 
Кроме того, проблема безопасного ведения подземных горных работ на действующих угольных предприятиях осложняется в связи с 
ростом глубины разработки пластов, что ведет к возрастанию газоносности пластов и пород, риску возникновения горных ударов и 
внезапных выбросов угля и газа.  
В связи с изложенным выше весьма актуальными являются работы, направленные на анализ существующих и развитие новых технических и технологических решений по управлению геомеханическими процессами горного производства. 
В учебном пособии обобщены основные сведения о геомеханических процессах, протекающих в углепородном массиве при ведении 
подземных горных работ, приведены описание и методики расчёта 
параметров различных способов профилактики возникновения опасных геомеханических явлений, рассмотрены вопросы геомеханического обоснования очистных работ при подземной эксплуатации 
пластовых месторождений. Вопросы геомеханического обоснования 
подготовительных горных выработок рассмотрены в работе [18]. 

1. ПОНЯТИЕ О ГОРНОМ ДАВЛЕНИИ 

1.1. Геомеханические составляющие 
горного давления 

Под горным давлением понимают сумму вертикальных (нормальных) и касательных (параллельных) напластованию напряжений в 
горном массиве. 
Горное давление в нетронутом массиве называется геостатическим. Геостатическое горное давление по виду сил, его вызывающих 
и направлению воздействия подразделяется на гравитационное и 
тектоническое. Гравитационную составляющую горного давления 
можно определить как вес всей толщи пород, расположенных выше 
точки измерения. Она равна произведению глубины H и среднего 
объемного веса пород γ. Тектоническая составляющая горного давления оценивается максимальными касательными напряжениями, 
обусловливаемыми тектоническими движениями и скоростью деформации земной коры. Тектоническая составляющая земной коры в 
различных регионах может существенно, в несколько раз, различаться и иногда превышать величину гравитационной составляющей. 
В практике разработки угольных месторождений подземным способом горнотехнические условия, при которых тектоническая составляющая существенно превышала бы по величине гравитационную, встречается довольно редко. Поэтому в горнотехнической литературе понятие «горное давление» рассматривается как напряжение в 
массиве, нормальное к напластаванию пород. Расчёты проявлений 
горного давления в горных выработках также строятся на базе принятой концепции о превалирующем влиянии гравитационной составляющей.  
В зависимости от конкретных горно-геологических условий предложено несколько гипотез горного давления в очистных забоях, которые исходят из следующего положения. 
Очистными работами вызываются деформации пород кровли. Деформации могут проявляться в виде сдвижения пород без разрыва 
сплошности, а также в виде трещин и разломов – с разрывом сплошности. При больших размерах выработанного пространства процесс 
сдвижения достигает поверхности. Сначала разрушаются породы 
непосредственно над пластом, а затем – с развитием выемки – происходит деформация вышележащих слоёв пород кровли. 

В толще массива в направлении вверх от выработанного пространства можно выделить три зоны разной степени нарушенности 
горных пород: обрушения, прогиба с нарушением сплошности слоев 
в виде трещин и плавного прогиба без нарушения сплошности слоёв. 
По характеру деформирования слоев горных пород и причинам, вызвавшим сдвижения в подработанной толще можно выделить три характерные зоны (рис. 1.1): I – полных сдвижений (разгрузки); IIа, IIб – 
наибольшего прогиба; IIIа и IIIб – сжатия пород (опорного давления). 

 

Рис. 1.1. Схема сдвижения массива пород при очистной выемке 

Зона I ограничивается линиями, проведенными от границ выработки под углами сдвижения ψ1 и ψ2, однако вблизи отработанного 
пласта контур этой зоны не доходит до границ выработки. В пределах этой области находится зона обрушения IV. На участке СОД после окончания сдвижения породы занимают положение, параллельное первоначальному. 
Зоны опорного давления IIIа и IIIб распространяются от границ 
сдвижения подработанного массива ЛБ и МЗ до линий ВГ и ЕК, проведенных через границы выработки. Между зонами полных сдвижений и опорного давления расположены зоны наибольшего прогиба 
пород – IIа и IIб. 

ψ1
ψ2

О

IVа
IVб

В породах почвы пласта образуются зоны опорного давления IVа 
и IVб, разгрузки VI и неравномерных поднятий Vа и Vб. 
В зонах опорного давления породы сжимаются (эпюры 1), а в зоне 
разгрузки расширяются (эпюры 2) в сторону выработки. 
Внешняя огибающая перечисленных зон образует контур влияния 
горной выработки АЛБИЗМЖ. 
Проявления горного давления в очистных забоях более динамичны и имеют значительно большие масштабы, чем в подготовительных выработках. Это связано с тем, что деформации и обрушения 
толщи горных пород над выработанным пространством происходят 
на площадях, размеры которых соизмеримы с глубиной расположения забоя. В длинных очистных забоях при этом необходимо поддерживать только узкую полосу призабойного пространства, которое 
постоянно возобновляется при движении забоя. 
Гравитационная составляющая величины горного давления определяется значительным числом взаимосвязанных факторов. При очистных работах в массиве пород происходят сложные физические, в 
частности механические, процессы, что обусловлено многообразием 
горно-геологических характеристик: мощностью пластов, их структурой и свойствами; углами залегания; свойствами вмещающих пород; обводнённостью и газонасыщенностью, а также способами 
управления горным давлением; применяемыми системами разработки; порядком отработки месторождения по площади и глубине; типом механизации горных работ и скоростью подвигания забоев и т.д. 
Рассматриваемые геомеханические процессы при очистной выемке изучены недостаточно, многие вопросы являются спорными и по 
ряду из них имеются только предположения. 
Все эти обстоятельства привели к возникновению ряда гипотез 
горного давления, основными из которых являются: 
– гипотеза свода; 
– гипотеза ступенческих опусканий; 
– гипотеза балок; 
– комбинированная гипотеза плит и балок; 
– гипотеза Лабасса. 
На первоначальном этапе исследований проявления горного давления учеными различных стран решались вопросы взаимодействия 
породного контура и крепи в подготовительных одиночных выработках вне зон влияния горных работ. Это позволило сформировать 
определенные критерии, на базе которых возникли отдельные гипо

тезы проявлений горного давления для различных горнотехнических 
условий при проведении одиночных выработок. 
В настоящем пособии рассмотрены гипотезы, на базе которых 
созданы расчётные методики определения величины горного давления для конкретных горно-геологических условий. 

1.2. Гипотезы горного давления 

1.2.1. Гипотезы горного давления 
в подготовительных выработках 

Проведение горной выработки вносит изменение в естественное 
напряженное состояние массива, и вокруг выработки образуется область, в которой напряжения отличаются от напряжений в ненарушенном массиве. Эти новые, более высокие по сравнению с геостатическими, нормальными к пласту, сжимающие напряжения, возникшие в результате ведения горных работ и перераспределения веса 
пород над выработанным пространством на нетронутые части массива, называют опорным давлением. 
В горнотехнической литературе опорное давление связывают с работой очистных забоев. В соответствии с определением опорного давления 
проявляется оно во всех горных выработках, в том числе одиночных. 
В рассматриваемой области выполнены многочисленные шахтные, лабораторные и теоретические исследования. Несмотря на значительную результативность исследований процессы деформаций, 
перемещений и разрушений горных пород вблизи выработки исследованы далеко не полно. При этом выявлен ряд новых, неизвестных 
ранее, не учитывавшихся обстоятельств и закономерностей процессов деформаций и напряжений горных пород, окружающих выработки, что связано не только с возрастанием глубины работ, но и с развитием методов исследований проявлений горного давления в шахтных и лабораторных условиях, новой аппаратурой, углублением исследований, уточнением известных закономерностей, выявлением 
новых сторон явлений и развитием теории, а также включением в 
эксплуатацию все более сложных месторождений. Для решения задач актуальных в настоящее время применяются методы механики 
сплошной среды: теория упругости, пластичности, сыпучей среды и 
комбинированных сплошных сред. 
Приложение методов механики сплошной среды к решению горных 
задач осуществляется на основе различных гипотез, которые различаются между собой исходными допущениями и предположениями. 

Наиболее распространенными из этих гипотез являются: 
1. Гипотеза сплошной среды: А.Н. Динник, Г.Н. Савин и др. 
2. Гипотеза пластичной среды: В. Штоке, Г. Герман и др. 
3. Гипотеза упруго-пластичной среды: А. Лабасс, К.В. Руппенейт и др. 
4. Гипотеза наследственной ползучести: Ж.С. Ержанов, А.П. Максимов и др. 
Если считать, что до проведения выработки в нетронутом массиве 
вертикальные к напластованию напряжения σ0 на глубине Н равны 
γН (где γ – плотность пород), то создание искусственной полости 
обусловливает повышение напряжения до величины σ1 (рис. 1.2). 

 

Рис. 1.2. Распределение напряжений вблизи одиночной выработки: 
а – по горизонтальной оси выработки; б – в вертикальном сечении 

Проведение выработки (создание полости) приводит к концентрации напряжений вблизи ее контура. Расстояние от выработки, на котором начинается изменение геостатического давления, называется 
зоной влияния выработки. Известно, что при круглой форме поперечного сечения выработки напряжения на её контуре равны КγН. 
Если вне зоны влияния выработки в точке А1 напряжения равны геостатическим (γН), то по мере приближения забоя они растут и в забое 

А2 равны КγН, где К – коэффициент концентрации напряжений непосредственно в сечении забоя выработки. Максимальное напряжение 
КγН будет иметь место на некотором расстоянии от забоя, где влияние забоя отсутствует. 
Можно считать, что на участках А1 и А2 напряжения повышаются 
от γН до КγН на А3. После достижения напряжениями максимальных 
значений скорость деформации начинает уменьшаться. Точка перегиба в изменении напряжений и скоростей деформаций разделяет 
зоны нарастающих и уменьшающихся (А3) напряжений. 
На некотором расстоянии от забоя скорость деформации становится близкой к постоянной. Размер зоны нарастающих напряжений 
изменяется в широких пределах – от 0 до 20–30 м. 
Участки l1, l2, l3, в которых опорное давление изменяется в связи с 
перемещением забоя выработки, называются зоной динамического 
опорного давления, а участок l4 – статистического опорного давления. 
Очень важно то, что максимальные скорости смещений и до 40–80 % 
всех смещений проявляются в зоне, примыкающей к забою – динамического опорного давления, в основном в зоне нарастающих напряжений. 
Если рассматривать деформации пород на конце и в центре выработки в зависимости от напряжений в интерпретации балки, защемлённой в основании, то можно констатировать, что разрушение приконтурного слоя пород начинается в центральной, наиболее обнажённой (деформированной) части балки. 
В слоистых породах после деформации первого слоя происходит 
обнажение второго и деформации продолжаются до слоя с достаточной несущей способностью. 
Таким образом, устанавливаются характерные формы равновесия, 
например стрельчатые своды, вплоть до эллипсов с большой вертикальной осью, что наблюдается в трещиноватых породах. В данном 
случае явление гораздо сложнее, так как, помимо того что возникают 
зоны повышенных и пониженных напряжений, слои не обязательно 
имеют одинаковую мощность и представлены различными породами. Это усложняет описанную выше простую схему, пригодную 
лишь в качестве отправной теории для дальнейших рассуждений. 
Для того чтобы поддержать кровлю в момент проведения выработки, 
необходимо уравновесить давление γН. Напротив, через некоторое время, когда начнётся прогиб слоёв, они принимают на себя нагрузку, образуется разгружающий свод, и давление на крепь будет меньше, чем 
γН, притом тем меньше, чем дальше развилось это явление.