Геомеханическое обоснование подземных горных работ

М ИНИС Т Е РС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО ОБ РА З О ВА Н И Я РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ 
 
Кафедра геотехнологий освоения недр
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ 
ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
Учебник
Утверждено Методическим советом НИТУ «МИСиС»
Москва  2019

УДК 662.26 
	
Т35
Р е ц е н з е н т 
д-р техн. наук, проф., директор по науке ННИ ГП ИГД им. А.А. Скочинского,  
А.В. Джигрин
А в т о р ы: 
Б.Д. Терентьев, В.В. Мельник, Н.И. Абрамкин, К.С. Коликов
	
Геомеханическое обоснование подземных горных работ  : 
Т35	 	
учебник  / Б.Д. Терентьев [и др.]. – М.  : Изд. Дом НИТУ 
 
«МИСиС», 2019. – 279 с.
ISBN 978-5-906953-01-8
В учебнике рассмотрены вопросы определения напряженно-деформированного 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. Приведена классификация крепей 
выработок и даны расчетные схемы определения несущей способности крепей.
Учебник предназначен для студентов вузов, обучающихся по направлению 
подготовки 21.05.04 «Горное дело» специализации 130404 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых».
УДК 662.26
Коллектив авторов, 2019
ISBN 978-5-906953-01-8
НИТУ «МИСиС», 2019

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. Классификация физических свойств горных пород.........................42
4. Жидкости и газы в породах.
................................................................46
5. Составляющие общего поля напряжения..........................................50
6. Прочность и разрушение пород.
.........................................................55
7. Крепость горных пород.......................................................................63
8. Геомеханические процессы при проведении выработки  
в массиве пород........................................................................................66
9. Напряженное состояние пород вокруг выработок  
и устойчивость породных обнажений.
...................................................77
10. Основные способы обеспечения устойчивости  
горной выработки.
....................................................................................89
11. Взаимодействие крепи с массивом горных пород........................102
12. Крепление горных выработок.
........................................................ 112
12.1. Классификация крепей горных выработок................................112
12.2. Определение расчетной нагрузки на инвентарную крепь.......116
12.3. Выбор типа инвентарной крепи и определение ее несущей 
способности............................................................................................117
13. Анкерное крепление горных выработок.
.......................................124
13.1. Расчет параметров анкерной крепи для кровли выработок.... 127
13.2. Определение расчетных смещений кровли выработки, 
закрепленной анкерной крепью.......................................................... 129
13.3. Выбор конструкции анкерной крепи......................................... 132
14. Охрана и поддержание горных выработок....................................134
14.1. Охрана выработок целиками угля.
............................................. 135
14.2. Охрана выработок крепями усиления....................................... 136
15. Методы исследования проявлений горного давления..................145
15.1. Методы определения величины сдвижения горных пород.
.... 146
15.2. Методы определения напряжений в массиве горных пород....148
3

15.3. Методы определения нагрузок на крепи горных выработок.....153
15.4. Моделирование геомеханических процессов.
.......................... 155
16. Геомеханические процессы в зонах влияния  
очистных работ шахт.............................................................................163
16.1. Процессы деформации пород кровли очистных  
выработок.
.............................................................................................. 163
16.2. Основные характеристики свойств кровли угольных  
пластов.
................................................................................................... 170
16.3. Влияние производственных операций на состояние  
кровли при очистных работах............................................................. 173
16.4. Периодичность деформаций кровли в очистных забоях.
........ 181
16.5. Разрушение пород кровли и вывалообразование.
.................... 189
16.6. Периодичность геомеханических процессов в породах  
впереди очистного забоя...................................................................... 196
16.7. Влияние технологических операций очистных работ  
на геомеханическое состояние массива.
............................................. 203
16.8. Геомеханические основы выбора механизированных  
крепей очистных забоев....................................................................... 212
16.8.1. Принципы взаимодействия крепей с вмещающими 
породами............................................................................................ 212
16.8.2. Методика обоснования величины нагрузки 
на механизированные крепи с учетом геомеханических  
процессов в очистном забое............................................................ 217
16.8.3. Методика выбора механизированных крепей на основе 
геомеханических характеристик пород очистного забоя.
............ 223
17. Управление геомеханическими процессами при работе  
очистных забоев.....................................................................................229
17.1. Управление геомеханическими процессами в лаве,  
путем изменения ее пространственного расположения................... 229
17.2. Геомеханические обоснование и технология воздействия  
на труднообрушаемые породы (кровли)............................................ 233
17.2.1. Предварительное разрушение кровли путем 
торпедирования................................................................................. 233
17.2.2. Ослабление труднообрушаемых кровель  
с использованием гидроторпедирования....................................... 236
17.2.3. Схемы расположения скважин и параметры  
их заложения..................................................................................... 238
4

17.3. Влияние геомеханических процессов на разупрочнение 
углепородного массива......................................................................... 241
17.3.1. Связь геомеханических процессов  
при очистных работах и отжима угля в лаве................................. 241
17.3.2. Влияние геомеханических процессов на формирование 
вывалов в очистных забоях.
............................................................. 245
17.4. Способы укрепления неустойчивого породного массива....... 249
17.4.1. Обработка неустойчивых и обводненных пород  
водными суспензиями...................................................................... 251
17.4.2. Ангидритовые вяжущие вещества.
..................................... 252
17.4.3. Электрохимическое укрепление......................................... 253
17.4.4. Термическое укрепление пород.......................................... 253
17.4.5. Укрепление механическими анкерами  
и синтетическими смолами............................................................. 254
18. Геомеханические основы расчета крепи сопряжений горных 
выработок.
...............................................................................................255
18.1. Теоретические основы метода расчета.
..................................... 255
18.2. Расчет геометрических параметров сопряжений 
подготовительных выработок.
............................................................. 258
19. Геомеханические процессы в штреках при различных  
порядках отработки выемочных полей.
...............................................262
19.1. Геомеханические процессы при нисходящем и восходящем 
порядках отработки участков.............................................................. 262
19.2. Принципы раскройки участков шахтных полей в условиях 
многокомпонентного поля напряжений............................................. 270
Библиографический список..................................................................... 276
5

ВВЕДЕНИЕ
«Геомеханическое обоснование подземных горных работ» – заключительная дисциплина, завершающая курс «Геомеханики».
Разработка месторождений полезных ископаемых и строительство 
горно-технических 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 современным состоянием развития горной механики и задачами, решаемыми при разработке месторождений полезных ископаемых. Для 
научно обоснованного 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 связности, величинах и направлении напряжений и внешних сил); вовторых, о характере, закономерностях, количественных показателях 
и размерах областей, где возникают деформации нарушения, сдвижения и обрушения, происходящие в массиве при проведении в нем 
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 являются – комплексное изучение горно-геомеханических состояний и процессов, установление их 
количественных показателей и зависимостей от горно-геологических 
и горнотехнических факторов для расчетов и выбора рационального 
6

расположения выработок в массиве, определение способов и средств 
их проведения, охраны и крепления, а также для 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 ведет к росту нагрузок на очистные забои и увеличению темпов проведения подготовительных выработок. В этих условиях выдвигаются высокие требования к обеспечению безопасных условий 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. Увеличение глубины разработки 
ведет к возрастанию газоносности пластов и пород, риску возникновения горных ударов и внезапных выбросов угля и газа. 
Поэтому актуальными являются работы, направленные на анализ 
существующих и развитие новых технических и технологических решений по управлению геомеханическими процессами горного производства.
В данном учебнике обобщены основные сведения о геомеханических процессах, протекающих в углепородном массиве при ведении 
подземных горных работ, приведены описание и методики расчета 
параметров различных способов профилактики возникновения опасных геомеханических явлений.
В учебнике рассмотрены вопросы геомеханического обоснования 
подготовительных подземных горных и очистных работ при подземной эксплуатации пластовых месторождений. 
7

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 для различных регионов 
земной коры 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 напластованию пород. Расчеты 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. Существующие гипотезы горного давления в очистных забоях 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 слоев пород кровли.
8

А
Ж
Г
К
О
IIб
IIа
2
2
М
Л
IIIб
IIIа
I
1
1
Б
З
В
С
Д
Е
IVб
IVб
IVa
Va
Vб
IVa
IV
2
2
И
Рис. 1.1. Схема сдвижения массива пород при очистной выемке
В толще массива в направлении вверх от выработанного пространства можно выделить три зоны, характеризующиеся разной степенью нарушенности горных пород: обрушения, прогиба с нарушением 
сплошности слоев в виде трещин и плавного прогиба без нарушения 
сплошности слоев.
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).
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 линии ВГ и ЕК, проведенных через границы выработки. Между зонами полных сдвижений и опорного давления расположены зоны наибольшего прогиба 
пород – IIа и IIб.
9

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 протекают более 
динамично и в значительно больших масштабах, чем в подготовительных выработках. Это связано с тем, что деформации и обрушения 
толщи горных пород над выработанным пространством происходят 
на больших 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 разнообразные, 
сложные физические, в частности механические, процессы, что обусловлено многообразием горно-геологических характеристик: мощностью пластов, их структурой и свойствами; углами залегания; 
свойствами вмещающих пород; обводненностью 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 по10