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 
2 

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 
3 
 

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 
4 
 

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 
5 
 

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 
 
 
 
6 
 

 В основе прогресса лежит обмен знаниями. 
  Альберт Эйнштейн 
 
Введение 
Минерально-энергетическая база составляет основу развития промышленного производства страны [2]. После распада СССР Россия лишилась 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, фосфаты, плавиковый шпат, барий, бентонит, каолин, кристаллический графит. Обострилось положение с обеспеченностью железорудным сырьем 
металлургических заводов Урала и Западной Сибири. Сократились разведанные 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 резкого спада внутреннего потребления. Минерально-сырьевая база экономически развитых районов России оказалась в значительной степени отработанной, поэтому перспективы её укрепления связаны преимущественно 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 электропередачи, водоснабжение, жильё), а также возрастающая стоимость энергоносителей, транспортных услуг, воды, отток населения, большие риски для 
инвесторов, изношенность основных фондов рудников, отсутствие горных 
7 
 

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 электростанций, спроектированных под использование газа и угля. Перевод газоугольных станций с повышенным КПД сжигания целиком на уголь позволит 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 безопасности. 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. 
 
8 
 

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 шахтах, рудникак, при строительстве подземных хранилищ, освоении городского подземного пространства на основе системной интеграции законов 
природы, интеллигентной техники и интеллектуальных технологий, информатизации для обоснования технологических параметров и безопасного ведения горных работ при изысканиях, компьютерном проектировании, строительстве и эксплуатации с целью достижения показателей мирового уровня в коммерциализации, технологичности, производительности, экологичности, рентабельности, экономичности, конкурентоспособности, сохранения здоровья персонала. 
Обзор существующего положения угольной и горнорудной промышленностях свидетельствует о том, что для обеспечения минерально-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 массивах горных пород, уметь составлять геомеханические и математические 
модели процессов и решать задачи на их основе, осуществлять мониторинг 
разрабатываемого массива, знать подземные Hi Tech, коммуникационно-информационные системы, участвовать в разработке безлюдных технологий, эксплуатировать компьютерные технологии управления, владеть 
принципами деятельности саморегулируемых организаций при освоении 
подземного пространства.
9 
 

2. Теории геомеханического обеспечения 
Расчёты геомеханического обеспечения связаны со знаниями глобального 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 существуют ещё до начала ведения горных работ, но интенсивность их невысока и приурочены они, как правило, к крупным нарушениям. С развитием 
очистных работ взаимное перемещение блочного массива интенсифицируется. 
На основании наблюдений установлено, что переходный этап             
от упругого деформирования к неупругому происходит постепенно. Сначала возникает разрушение контура выработки, которое увеличивается, и 
начинается переход от локального «пристеночного» деформирования           
к крупномасштабному разрушению. Такую картину наблюдают на медноколчеданном Гайском месторождении, вольфрамовом месторождении 
«Восток» в Приморье, Вышневогорском месторождении редких металлов 
на Южном Урале [16]. 
Большие неприятности для горняков представляет переход к динамичному разрушению пород. Например, на шахтах Североуральских бокситовых рудников деформационные процессы идут в следующей последовательности: шелушение и стреляние пород на глубинах до 300м, микроудары, горные удары и горно-тектонические удары на глубинах свыше 
400 м [3]. 
Причина заключается в горном давлении и ориентации его составляющих в пространстве относительно плоскостей трещин, а также блочное 
строение и геологические нарушения. Провоцируют динамические явле10