Геомеханическое обеспечение горных и горно-строительных работ. Ч. 1. Геомеханическое обеспечение подземных горных работ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

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

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

Кафедра «Физика горных пород и процессов»
 
А.С. Пугач 

Геомеханическое  
обеспечение горных  
и горно-строительных работ 

Часть 1 
Геомеханическое обеспечение  
подземных горных работ 

Учебное пособие 

Под редакцией канд. техн. наук Л.С. Кузяева 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2014 

УДК 622.831.32 322 (03) 
 
К89 

Р е ц е н з е н т ы :  
проф., д-р техн. наук В.В. Мельник; 
д-р техн. наук В.М. Закалинский  
(Институт проблем комплексного освоения недр РАН) 

Пугач, А.С. 
К89  
Геомеханическое обеспечение горных и горно-строительных 
работ. Ч. 1. Геомеханическое обеспечение подземных горных 
работ: учеб. пособие / А.С. Пугач ; под ред. Л.С. Кузяева. – М. : 
Изд. Дом МИСиС, 2014. – 137 с. 
ISBN 978-5-87623-822-1 

Изложено современное состояние изученности теории геомеханического 
обеспечения подземных горных работ. Рассмотрены основные положения, 
вопросы устойчивости, безопасности, внедрения инновационных процессов, 
применения интеллигентной техники, интеллектуальных добыточных технологий, мониторинга. 
Учебное пособие предназначено для студентов специальности «Физические процессы горного или нефтегазового производства», а также специализаций подготовки ТПУ, ТПР, ГМ, ГЭ по дисциплине «Геомеханика». 

УДК 622.831.32 322 (03) 

ISBN 978-5-87623-822-1 
© А.С. Пугач, 2014 

Оглавление 

Введение .................................................................................................... 7 

1. Основные понятия и определения ................................................... 9 

2. Теории геомеханического обеспечения ........................................ 10 

2.1. 
Общие 
сведения 
о 
характере 
подвижек 

разрабатываемого массива ..................................................................... 10 

2.2. Глобальный тектогенез ............................................................ 11 

2.3. Геоопасные массивы и техногенные пространства ............ 14 

2.4. Теории начального горного давления ................................... 18 

2.5. Теории особых горно-геологических явлений – ОГГЯ ...... 23 

2.6. Теория релаксации блочного массива ................................... 28 

2.7. Теории баланса нагрузок и их моментов .............................. 29 

3. Геомеханическое обеспечение устойчивости массива .............. 31 

3.1. 
Формирование 
зон 
предельного 
напряженного 

состояния массива при техногенных воздействиях .......................... 31 

3.2. Устойчивость массива .............................................................. 32 

3.3. Региональные способы управления устойчивостью 

массива ....................................................................................................... 33 

3.4. Локальные меры по управлению устойчивостью .............. 36 

3.5. Геомеханическое обоснование вскрытия месторождения

 ...................................................................................................................... 38 

3.6. 
Влияние 
интенсивности 
горных 
работ                           

в 
высоконапряженном 
массиве 
блочной 
структуры                       

на сейсмическую активность ................................................................. 41 

4. 
Математическое 
моделирование 
геомеханических 

процессов разрабатываемого массива ..................................................... 43 

4.1. Общие сведения о моделировании геомеханических  

процессов .................................................................................................... 43 

4.2. Деформирование подработанной толщи свиты пластов ... 47 

4.3. Моделирование технологии горных работ с закладкой              

выработанного пространства ................................................................ 48 

4.4. Деформирование массива пород при разработке 

угольных       месторождений Кузбасса ................................................ 50 

4.5. Геофильтрационный прогноз в условиях блочной 

структуры угольных пластов Донбасса [12] ....................................... 52 

4.6. 
Техногенные 
геомеханические 
поля 
напряжений  

месторождений полиметаллических руд Норильска [7] .................. 54 

4.7. Техногенные геомеханические поля напряжений при 

отработке удароопасных залежей Горной Шории [9] ....................... 54 

4.8. Расчёт НДС массива с учетом последовательности 

отработки  участков месторождения .................................................... 58 

4.9. Напряженное состояние удароопасного массива  при 

массовых подземных взрывах [5] .......................................................... 59 

4.10. Моделирование движения горных масс и учёт 

тектоники ................................................................................................... 60 

5. Обеспечение геомеханической безопасности ведения горных 

работ ............................................................................................................... 62 

5.1. Принципы обеспечения геомеханической безопасности  

горных работ ............................................................................................. 62 

5.2. Примеры толчкообразного деформирования массива ...... 64 

5.3. Примеры сейсмической активности разрабатываемых  

месторождений .......................................................................................... 67 

5.4. Проблемы подрабатываемого массива ................................. 71 

5.5. Способы предотвращения опасностей геомеханической  

природы ...................................................................................................... 74 

5.6. Принципы управления геомеханической безопасностью . 78 

6. Геомеханическое обеспечение инновационного  потенциала 

угольных шахт и рудников ........................................................................ 80 

6.1. Инновационные процессы на угольных шахтах ................. 80 

6.2. Инновационные процессы на рудниках ................................ 89 

6.3. Горнодобывающие предприятия 2016 года – высокие  

технологии будущего ............................................................................... 93 

6.4. Геомеханическое сопровождение систем разработки 

рудных   месторождений ......................................................................... 95 

7. 
Геомеханическое 
обеспечение 
интеллектуальных    

добычных технологий ................................................................................. 97 

7.1. Коммуникационные системы и передача информации 

геомеханического обеспечения .............................................................. 97 

7.2. От управления поддержанием крепью к управлению  

угледобычей ............................................................................................. 101 

7.3. Компьютерное управление самоходным оборудованием  

на рудниках .............................................................................................. 105 

7.4. Геомеханическое обеспечение при обосновании высоких 

угледобычных технологий .................................................................... 107 

7.5. Геомеханическое обеспечение высоких горнорудных  

технологий ............................................................................................... 113 

8. Геомеханический мониторинг массива горных пород ....... 121 

8.1. Общие понятия ......................................................................... 121 

8.2. 
Системы 
визуализации, 
прогноза, 
контроля 
и 

диагностики         состояния массива .................................................. 124 

8.3. Методы геомеханического мониторинга ............................ 126 

8.3.1. Дистанционное космическое зо ндирование  

земных структур ............................................................................... 126 

8.3.2. 
Геолого-тектоническая 
интерпретация                 

при угледобыче .................................................................................. 127 

8.3.3. Шахтный метод определения исходного 

поля напряжений в массиве ....................................................... 130 

8.3.4. Лазерное сканирование – ЛС фирмы Optech 

(Канада) при подземных работах ........................................... 130 

8.3.5. Коммуникационно-информационная база             

для передачи данных мониторинга и управления       

оборудованием в опасных зонах ............................................. 131 

Заключение ........................................................................................... 133 

Список использованной литературы .............................................. 135 

 

 

 

В основе прогресса лежит обмен знаниями. 

  Альберт Эйнштейн 

 

Введение 

Минерально-энергетическая база составляет основу развития про
мышленного производства страны [2]. После распада СССР Россия ли
шилась источников свыше 20 видов твердых полезных ископаемых, в том 

числе таких стратегически важных, как основные легирующие металлы – 

марганец и хром. В списки дефицитных попали также уран, алюминий, 

титан, свинец, медь, цинк, олово, ртуть, сурьма, стронций, цирконий, 

редкие земли итриевой группы, сера, калийные соли, каменная соль, фос
фаты, плавиковый шпат, барий, бентонит, каолин, кристаллический гра
фит. Обострилось положение с обеспеченностью железорудным сырьем 

металлургических заводов Урала и Западной Сибири. Сократились разве
данные запасы по сурьме на 16%, по меди и никелю – на 7%. Оказалась 

нерентабельной добыча редких металлов, законсервировано значительное 

число предприятий, не выдержавших конкуренции с зарубежными и рез
кого спада внутреннего потребления. Минерально-сырьевая база эконо
мически развитых районов России оказалась в значительной степени от
работанной, поэтому перспективы её укрепления связаны преимущест
венно с труднодоступными и существенно менее развитыми районами 

(Центральная Сибирь, Забайкалье, Дальний Восток, Чукотка). При оценке 

новых объектов приходится ориентироваться не только на запасы и их 

качество, но и на себестоимость добычи, на которую влияют удаленность, 

труднодоступность, слабая инфраструктура (дороги, линии электропере
дачи, водоснабжение, жильё), а также возрастающая стоимость энергоно
сителей, транспортных услуг, воды, отток населения, большие риски для 

инвесторов, изношенность основных фондов рудников, отсутствие горных 

менеджеров, высоких технологий, самоходной техники, компьютеризации 

и информатизации. 

Наряду с восстановлением, расширением минерально-сырьевой базы 

действующих и новых добывающих горнорудных предприятий должна 

увеличиваться доля угля в энергосоставляющей России. С каждым годом 

ОАО «Газпром» уменьшает энергетикам выдачу газа, ссылаясь на более 

выгодный его экспорт. В России в разных районах действуют 20 электро
станций, спроектированных под использование газа и угля. Перевод газо
угольных станций с повышенным КПД сжигания целиком на уголь по
зволит сэкономить до 27 млрд. м3 газа в год. Президент России В.В. Путин 

подчеркивает, что «...мы должны думать об энергетическом балансе в 

стране. Невозможно всё подвесить на один газ. Даже с точки зрения безо
пасности. Нам нужны разные источники энергии, причем первичной 

энергии – газ, топочный мазут и обязательно уголь». 

Это обеспечит России настоящую безопасность, поможет «сойти        

с газовой иглы», позволит получить новые энергорезервы для дальнейшего 

развития всей экономики. Доля каменного угля в энергосоставляющей 

должна увеличиваться. По этому пути идут все развитые страны. 

Обоснование, эффективность и безопасность подземной разработки 

месторождений полезных ископаемых зависит от уровня геомеханического 

обеспечения горных работ. 

 

1. Основные понятия и определения 

Геомеханическое обеспечение подземных горных 

работ – дисциплина о свойствах земных недр, силах в горном массиве и 

грунтах, формах и закономерностях проявления горного давления в шах
тах, рудникак, при строительстве подземных хранилищ, освоении город
ского подземного пространства на основе системной интеграции законов 

природы, интеллигентной техники и интеллектуальных технологий, ин
форматизации для обоснования технологических параметров и безопас
ного ведения горных работ при изысканиях, компьютерном проектирова
нии, строительстве и эксплуатации с целью достижения показателей ми
рового уровня в коммерциализации, технологичности, производительно
сти, экологичности, рентабельности, экономичности, конкурентоспособ
ности, сохранения здоровья персонала. 

Обзор существующего положения угольной и горнорудной про
мышленностях свидетельствует о том, что для обеспечения минераль
но-энергетической безопасности России необходимы новые подходы           

к решению вопросов подземной отработки пластов и залежей, подготовки 

специалистов и менеджеров новой формации. 

Горные инженеры и менеджеры, деятельность которых связана            

с управлением горным давлением, должны пополнять компьютерную базу 

данных по свойствам земных недр, оценивать действующие силы в мас
сивах горных пород, уметь составлять геомеханические и математические 

модели процессов и решать задачи на их основе, осуществлять мониторинг 

разрабатываемого массива, знать подземные Hi Tech, коммуникацион
но-информационные системы, участвовать в разработке безлюдных тех
нологий, эксплуатировать компьютерные технологии управления, владеть 

принципами деятельности саморегулируемых организаций при освоении 

подземного пространства.

2. Теории геомеханического обеспечения 

Расчёты геомеханического обеспечения связаны со знаниями гло
бального тектогенеза, начального напряженного состояния, прочности,       

с энергетикой динамических проявлений горного давления, релаксацией 

блочного массива, теориями баланса нагрузок и их моментов. 

 

2.1. Общие сведения о характере подвижек разрабатываемого массива 

Междублочные подвижки массива на достигнутых глубинах суще
ствуют ещё до начала ведения горных работ, но интенсивность их невы
сока и приурочены они, как правило, к крупным нарушениям. С развитием 

очистных работ взаимное перемещение блочного массива интенсифици
руется. 

На основании наблюдений установлено, что переходный этап             

от упругого деформирования к неупругому происходит постепенно. Сна
чала возникает разрушение контура выработки, которое увеличивается, и 

начинается переход от локального «пристеночного» деформирования           

к крупномасштабному разрушению. Такую картину наблюдают на мед
ноколчеданном Гайском месторождении, вольфрамовом месторождении 

«Восток» в Приморье, Вышневогорском месторождении редких металлов 

на Южном Урале [16]. 

Большие неприятности для горняков представляет переход к дина
мичному разрушению пород. Например, на шахтах Североуральских бок
ситовых рудников деформационные процессы идут в следующей после
довательности: шелушение и стреляние пород на глубинах до 300м, мик
роудары, горные удары и горно-тектонические удары на глубинах свыше 

400 м [3]. 

Причина заключается в горном давлении и ориентации его состав
ляющих в пространстве относительно плоскостей трещин, а также блочное 

строение и геологические нарушения. Провоцируют динамические явле

ния работа добычной, проходческой или другой вибрирующей техники 

либо проведение промышленных взрывов. Подбрасывание угольного до
бычного комбайна наблюдали на шахте «Распадская», на руднике Ба
ренцбургского ГТ «Арктикуголь», на шахте «Первомайская» Луганской 

области. При взрывных работах, создающих колебания, близкие по частоте 

к значению собственной частоты в инфразвуковом диапазоне соответст
вующей геологической структуры, амплитуда упругих колебаний в слое 

напряженной породы увеличивается до значения, при котором происходит 

резкое, удароподобное проседание этой структуры, что и воспринимается 

как разрыв сплошности или как горный удар (Денисов Д. М., 2001). 

Перспективны в таких ситуациях методы разгрузки массива от гор
ного давления, переход на безвзрывные технологии, применение замед
лений при массовых взрывах 0,1 мс. 

 

2.2. Глобальный тектогенез 

Согласно гипотезе академика О. Ю. Шмидта наша планета появилась    

4,5 млрд. лет назад из пылевых облаков. Под действием сил взаимного 

притяжения космическая пыль сгустилась в шаровидное образование. 

Давление и температура в процессе вращения в нем повышалась. На глу
бине 200-400 км началось плавление вещества в жидкую магму. Движу
щийся вокруг своей оси земной шар постепенно разделился по плотностям 

на концентрические слои. Самые легкие породы с минералами поднялись 

на поверхность и образовали земную кору. Самые плотные и тяжелые – 

железо, никель, хром – опустились  к центру планеты и сформировали 

ядро. 

По одной из теорий выделяют три главных слоя Земли: земную кору       

из самых легких пород с грунтами; частично расплавленную более плот
ную мантию; внешнее и внутреннее ядро очень большой плотности, спо
собное к перемещению под действием космических сил. Такая модель 

напоминает яйцо, внутри которого расположен желток, способный пере
мещаться. Существует и другая теория образования планеты, согласно 

которой из белой дыры происходил выброс энергии и вещества. Общим 

для этих теорий является наличие в центре Земли раскалённых масс. Зем
ная кора, покрывающая всю поверхность, расчленена на крупные плиты и 

жесткие блоки литосферы, которая включает земную кору и верхнюю 

часть подстилающей её мантии. Литосферные плиты за счёт перемещения 

ядра взаимодействуют между собой. На границах океанов и континентов 

более тонкие океанологические подминаются под более мощные и старые 

континентальные слои. Плиты могут расходиться, образуя зоны горизон
тального растяжения. При встречном движении они сталкиваются друг        

с другом, образуя зоны горизонтального сжатия. В зонах растяжения рас
тительные поверхностные слои мигрируют на глубину, образуя угольные 

месторождения. В зонах сжатия по трещинам за счёт смятия магма про
рывается к поверхности. При изменении направления движения плит 

происходит смена знака зон, а также появляются залежи с различными 

углами падения. Энергия, заключенная в недрах планеты, проявляется         

в таких катастрофических процессах, как извержения вулканов и земле
трясения, а также изменения положения магнитного поля и полюсов. Они 

связаны с так называемыми тектоническими движениями – непрерывными, 

очень медленными (сантиметры и миллиметры в год) плавными переме
щениями плит, несущих на себе океаны и континенты. 

Т е о р и я  г л о б а л ь н о г о  т е к т о г е н е з а  – гипотеза 

непрерывного процесса кристаллизации/плавления мантийного расплава 

на контакте литосферы с частично расплавленной мантией в процессе ре
акций в центре Земли. Процесс кристаллизации магмы способствует дис
балансу подъемных сил (Архимеда), ответственных за формирование ре
гиональных полей напряжений, приводящих к тектоническим коллизиям 

(столкновения, сотрясение, взаимодействие противоположных сил текто

нических плит/материков). Это приводит к действию гравитационных и 

тектонических сил. Свою роль проявляет также эффект вращения Земли и 

перемещение внутреннего ядра. 

Под влиянием тектонических процессов имеют место катастрофы на 

поверхности Земли в виде: изменения климата, землетрясений, наводне
ний, вихре- и торнадообразования, цунами, циклонов и антициклонов, 

электрических разрядов, выделения гелия или радона. Эти катастрофы 

оказывают своё влияние и на подземные горные работы. 

Техногенная катастрофа геомеханической природы – процесс в сис
теме, обусловленный потерей её устойчивости и сопровождающийся 

сильным негативным эффектом (остановка горного производства, чело
веческие жертвы, поломка оборудования). 

Рассмотрим процесс образования блоков. Магматические породы 

содержат много кварца, который имеет 4 модификации при температурах   

в диапазоне 573 °С - 4470 °С. При модификационных превращениях кварца 

происходит скачкообразное дискретное его деформирование с увеличе
нием коэффициента объемного расширения и со снижением модуля уп
ругости. Однако произведение этих величин увеличивается, приводя             

к большим термическим напряжениям в вертикальной плите, образуемой 

двумя восходящими потоками горячей магмы (плюмы). В плите возникают 

растягивающие напряжения, которые разрывают плиту горизонтальными 

трещинами. Таким образом, литосферные плиты со временем представ
ляют собой систему отдельных блоков. Смещение нижележащих блоков 

под действием конвективных потоков магмы приводит к колебанию, про
скальзыванию, раскачиванию, разломам вышележащих блоков. Вибри
рующая система блоков является триггером сейсмичности земной коры, 

аварий, катастроф и чрезвычайных ситуаций геомеханической природы на 

шахтах, рудниках, в тоннелях, в массиве с подземными трубопроводами, 

хранилищах, основаниях и фундаментах наземных сооружений, на же
лезных дорогах, при газо- и нефтепромыслах. 

Следует отметить, что за счёт разных расстояний между границами 

раздвига по объему Земли значения горизонтальных напряжений будут 

неравнокомпонентными. Образовавшиеся отдельности в литосфере            

по картам масштаба имеют деление, приведенное в табл. 2.1. 

                                                                              Таблица 2.1 

Геодинамическое районирование литосферных плит 

(И. М. Батугина) 

Элемент сруктуры
Ранг 
Масштаб карты 

Мегаблоки
IV 
1 : 12 000 000 

V 
1 : 8 000 000 

Блоки 
I 
1 : 2 500 000 

II 
1 : 1 000 000 

 
III 
1 : 500 000 

 
IV 
1 : 250 000 

 
V 
1 : 100 000 

 

С применением принципа «от общего к частному» (по картам) по
является возможность судить о напряженных и разгруженных зонах, о 

региональных и локальных тектонических деформациях и напряжениях, а 

также о газогидродинамическом состоянии массива. 

 

2.3. Геоопасные массивы и техногенные пространства 

При освоении газовых и нефтяных месторождений, эксплуатации 

протяженных трубопроводов и железных дорог, подземных сооружений, 

емкостей-хранилищ участились случаи возникновения геодинамических