Управление состоянием массива

УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ 
МАССИВА

Допущено Учебно-методическим объединением вузов  
Российской Федерации по образованию в области горного дела  
в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по 
направлениям подготовки 21.05.04 «Горное дело» и 21.05.05 «Физические 
процессы горного или нефтегазового производства»

Москва 
ИНФРА-М
2023

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

В.И. Голик

УДК 55 (075.8)
ББК 26.3я73
 
Г 60

Голик В.И.
Управление состоянием массива : учебное пособие / В.И. Голик. 
— Москва : ИНФРА-М, 2023. — 136 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат). — DOI  10.12737/908.

ISBN 978-5-16-006751-3 (print)
ISBN 978-5-16-100056-4 (online)

В учебном пособии излагаются аспекты  добычи полезных ископаемых 
в рамках учебных программ для студентов горных и геологических специальностей. 
Анализируются свойства и строение массивов  рудных месторождений. 
Определяется механизм влияния горных работ на природные и искусственные массивы. Даются концепция управления массивом погашением 
пустот и методика определения параметров управления. Описываются 
практика применения технологий управления состоянием пустот и методы их оптимизации. Рассмат риваются технологии  приготовления, транспортирования и размещения смесей из отходов производства с улучшением их качества за счет активации компонентов комплексными методами. 
Приводятся критерии оценки эффективности управления состоянием 
массива с сохранением земной поверхности. Анализируется экологическая 
и экономическая эффективность природоохранных технологий управления 
массивом. 
Предназначено для студентов и преподавателей вузов, горных инженеров и широкого круга читателей. 

УДК 55 (075.8)
ББК 26.3я73

Г 60

Р е ц е н з е н т ы:
Верчеба А.А., д-р геол.-минерал. наук, проф., зав. кафедрой «Геология 
месторождений полезных ископаемых» Российского государственного 
геологоразведочного университета;
Каган Г.Ф., д-р техн. наук, проф., гл. инженер Тырнаузского вольфрамо-молибденового комбината

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ISBN 978-5-16-006751-3 (print)
ISBN 978-5-16-100056-4 (online) 
© Голик В.И., 2014

ВВедение

Управление состоянием массива является разделом геомеханики — 

науки о деформациях горных пород, движении в них жидкости и газа, 
а также о силах, вызывающих эти деформации и движения.

Объектами науки являются горные массивы с элементами геоло
гического строения литосферы Земли и составляющие эти массивы 
горные породы. Деформационные, прочностные, фильтрационные 
и другие свойства горного массива соответствуют свойствам слагающих массивы горных пород.

Дисциплина «Управление состоянием массива» устанавливает 

закономерности разрушения горных пород, развития деформационных процессов в массивах, движения жидкостей и газов в горных 
массивах, образования структурной блочности в породах, сохранения 
устойчивости горных выработок и земной поверхности над ними.

Основная задача дисциплины — изучение геомеханических про
цессов, происходящих в недрах под влиянием горных работ, и использование методов оценки, прогноза и контроля их состояния 
в различные периоды времени.

Базовым условием обеспечения безопасности является обосно
вание систем разработки и порядка ведения горных работ, способов 
управления горным давлением, и параметров технологических процессов, при которых деформации в массиве и на земной поверхности 
не будут критическими.

От уровня рациональности и масштабности использования бо
гатств недр зависят создание материально-технической базы для 
производства продукции, решение не только продовольственной 
проблемы, но и многих социальных проблем, определяющих будущее. 
Перспективы экономичных природоохранных технологий разработки связаны с учетом механизма взаимодействия геоматериалов, слагающих массивы скальных месторождений.

Современные проблемы разработки месторождений полезных 

ископаемых включают в себя: комплексное освоение недр, воспроизводство ресурсов в недрах, освоение глубокозалегающих месторождений, максимальное извлечение ценных элементов при переработке упорных и бедных руд, создание новых технологий и рациональное использование подземного пространства. 

Создание ресурсосберегающих технологий, в том числе и управ
ления состоянием массива, основывается на новых представлениях 
о закономерностях и способах комплексного и экологически безопасного освоения и сохранения недр Земли. 

Состояние окружающей среды в районах горных работ определя
ется объемом образованных пустот, выданных на поверхность материалов и прочностью толщи литосферы, отделяющей зону повышенных деформаций от земной поверхности.

Для выбора оптимальных технологических решений важны учет 

индивидуальных особенностей рудных и породных массивов месторождений, механизм влияния горных работ на природные и искусственные массивы и методика определения параметров управления 
массивом путем назначения размеров целиков, пролетов обнажения 
и зон влияния выработок.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность про
фессорам В.И. Комащенко О.Н. Полухину и Ю.И. Разоренову за 
участие в подготовке книги к изданию.

Глава 1. 
МАССиВЫ 
ГОРнЫХ ПОРОд

1.1. 
СтРОение МАССиВОВ

Массив горных пород — участок развития физико-механических 

явлений и процессов в результате воздействия естественных или техногенных факторов разработки, особенностью которого является 
общность условий образования и инженерно-геологических характеристик.

Горные породы — природные минеральные агрегаты, слагающие 

литосферу Земли в виде самостоятельных геологических тел и обладающие комплексом морфологических особенностей. Свойства пород, формирующих массив, во многом определяют его состояние при 
техногенном вмешательстве.

Горное давление — напряжение, возникающее в массиве горных 

пород, вблизи стенок выработок, целиков, на контакте порода — крепь 
в результате совместного действия гравитационных, тектонических 
сил и температуры верхних слоев земной коры и сопровождающееся 
деформациями, определяющими поведение массива горных пород 
при разработке.

Месторождения цветных, редких и благородных металлов в по
давляющем большинстве локализованы в скальных и полускальных 
породах прочных и средней прочности, слагающих крупные геологические блоки в пределах рудных узлов. 

Месторождения полезных ископаемых от незначительных ру
допроявлений до крупных промышленных встречаются как в осадочных, так и в вулканогенных породах. Оруденение отмечается как 
в отдалении от вулканогенных пород, так и в непосредственной близости на контакте и в самих вулканитах (рис. 1.1).

Большинство месторождений приурочено к крупным геологиче
ским нарушениям (рис. 1.2).

Характерной особенностью скальных месторождений является 

мозаично-глыбовое строение, обусловленное наличием тектонических нарушений (рис. 1.3).

Крепость вмещающих пород изменяется от 3 до 17 по шкале 

М.М. Протодьяконова. Измененные породы уменьшают свою крепость на 10–30% по сравнению с неизмененными. По отношению 
к главному рудному телу геологические нарушения подразделяются 
на межпластовые и секущие, крутые, пологие и горизонтальные. Рудные тела имеют различную форму: правильных и неправильных штокверков, столбов, линз, гнезд и жил.

I–I

I

– 1
– 2
– 3
– 4

– 6
– 7
– 8
– 9

– 5

1500

1000

500

I

Рис. 1.1. Рудные тела месторождений Архонское и Холстинское (Северный Кавказ): 

1– сланцы, 2 — граниты, 3 — конгломераты, 4 — порфириты, 5 — дайки, 6 — песчаники, 7 — алевролиты, 8 — разломы, 9 — рудные тела

1
2
3
4
 6
5

Рис. 1.2. Локализация месторождения в геологических нарушениях: 

1 — хлоритовые сланцы; 2 — песчаники; 3 — альбитовые сланцы; 4 — крутопадающие 

нарушения; 5 — трещины; 6 — киноварь

Рис. 1.3. Нарушение пород геологическими структурами

Для рудных месторождений характерны неравномерность распре
деления металлов, невыдержанность формы и мощности рудных тел.

1.2. 
СВОйСтВА ПОРОд и МАССиВОВ

Свойства пород в образце обусловлены внутренними связями, ми
нералогическим составом, структурой, текстурой и микротрещиноватостью. При этом фактические свойства пород в большей степени 
зависят от гипергенных и гидротермальных изменений. Структура 
пород или строение породы в образце характеризуется ми неральным 
скелетом породы, их пустотностью и меж зер но выми связями.

Характер и степень структурной неоднородности пород в масси
ве, относительное расположение и распределение определяются текстурой пород. Если минералогический состав и структура пород 
определяют механические свойства, то текстура обусловливает степень 
изотропности или анизотропности породы.

Свойства массива определяются его расположением в земной коре, 

возрастом, тектоникой, этажностью и ярусностью. В классификации 
Панюкова выделяются типы месторождений по положению в структурах земной коры, подтипы — по возрасту, группы и подгруппы — по 
положению в структурах или этажах, классы — по формационной 
принадлежности пород, подклассы — по типу геологических ярусов 
и семейства — по генезису месторождений.

По интенсивности развития геологических структур массивы под
разделяют на ненарушенные, слабонарушенные, с развитой разломной тектоникой, осложненной инженерно-геологической ситуацией 
или без нее.

Структурные элементы массива (петрогенетические, петротекто
нические и экзогенные) по отношению к размерам массива имеют 
три разновидности: значительно более крупные, соизмеримые, значительно более мелкие.

Разрывные структурные элементы определяются принадлежнос
тью к указанным разновидностям. Выделяются классы структур — 
разломы и трещины, подклассы — крупные, средние и мелкие разломы, крупные и мелкие макротрещины, а также микротрещины.

Количественные размеры структур изменяются в широких пре
делах: разломы имеют зоны мощностью от 0,3 до десятков метров 
и протяженность от сотен метров до первых десятков километров; 
крупные макротрещины — ширину от 0,5 до первых сантиметров 
и протяженность от 0,5 до первых десятков метров; мелкие трещины — ширину, равную миллиметрам, и длину — первым метрам; 
микротрещины — ширину менее 0,15 мм и протяженность — 
до первых сантиметров.

Разрывные нарушения образуют в массиве блоки: тектонические, 

структурные, элементарные и микроблоки. Взаимодействие блоков 
определяет анизотропию массива.

Свойства массива отличаются от свойств пород, его слагающих, 

по причинам:

 
• неодинаковых условий испытаний в лаборатории и в массиве;

 
• структурной неоднородности массива.

Показатели структурной блочности: форма, размеры блока и ха
рактеристики механической прочности по граням. Крупные макротрещины образуют системы трещин с углами встречи до 90°, из которых, как правило, две системы — крутопадающие трещины и одна — 
пологопадающая или горизонтальная. При большем количестве 
систем их объединяют в три группы.

Структурные блоки в массиве имеют вид параллелепипедов, кубов, 

призм и плит (рис. 1.4). 

2,0 м

0,50,2 м

2,0 м

1,5 м

1,5 м
0,5 м
0,6 м

2,0 м

2,62,7 м

5,56,0 м

Рис. 1.4. Форма и размеры структурных блоков

Структурные блоки имеют форму ромбов при углах встречи на
клонных и крутопадающих макротрещин, значительно меньших 90°.

По размерам структурных блоков массивы подразделяют следу
ющим образом: с очень мелкой блочностью — 0,01–1,0 м; с мелкой 
блочностью — 1,0–2,0; со средней — 2,0–4,0; с крупной — 4,0– 8,0; 
с очень крупной — более 8,0 м.

Характеристиками механической прочности граней структурных 

блоков являются сцепление и угол трения (или коэффициент трения). 
Угол трения по поверхности ровных гладких трещин на 10–12° меньше угла внутреннего трения монолитных пород, по трещинам с зеркалами скольжения — снижается на 20–25°. Сцепление определяют 
в натурных условиях путем среза породных призм по крупным макротрещинам, искусственно оконтуриваемым в массиве и нагружаемым 
гидравлическими домкратами.

По мощности породы разделяются на: тонкослоистые — менее 

0,05 м; среднеслоистые — 0,1–0,5; грубослоистые — 0,5–2,0; толстослоистые — 2,0–5,0 и массивные — более 5,0 м.

Интенсивность развития трещин оценивают по модулю трещи
новатости (Мтр) в плоскости, тр./м2. Массивы разделяют на: растрескавшиеся с Мтр — более 30; сильнотрещиноватые с Мтр — 15–30; 
среднетрещиноватые с Мтр — 7–14; слаботрещиноватые с Мтр — 2–6 
и квазимонолитные с Мтр — менее 2.

Плотность пород с погрешностью 1–3,5% определяется скважин
ным каротажным гамма-методом, основанным на различной степени поглощения и рассеяния радиоактивного гамма-излучения.

В большинстве гипотез горного давления массив принимают 

 квазисплошным, редко с единичными поверхностями нарушения 
сплошности. Еще реже массив рассматривают как дискретную среду 
с гравитационным тектонически-структурным полем напряжений. 
Структурные блоки, слагающие зоны, консоли, своды, чаще всего 
рассматриваются одинаковыми по величине без дифференциации 
их в массиве по отношению к пустотам. 

Поскольку крупные и средние блоки несоизмеримо больше раз
меров выработок, на устойчивость выработок влияют только зоны 
разломов в контурах выработок. Мелкие разломы и крупные трещины образуют структурные блоки, формирующие своды естественного 
равновесия. 

Устойчивость выработок определяется размерами и взаимной 

ориентацией структурных блоков и обнажений. Мелкие трещины 
придают массиву мелкоблочное строение, не нарушая его. Эти блоки не участвуют в формировании сводов, так как имеют малую высоту. Микротрещины изменяют физико-механические свойства пород (рис. 1.5).

а)
б)

Рис. 1.5. Механизм ослабления массива трещинами:

а — выработка в лежачем боку; б — выработка в висячем боку

Устойчивость выработок возникает только в том случае, когда 

в породах кровли при достаточной реакции силы распора образуется 
жесткая трехшарнирная арка (рис. 1.6).

При этом два шарнира расположены в основаниях свода, третий — 

в центре замка над выработкой. Арка устойчива, если кровля нарушена только поперечными разломами и трещинами. Если же кровля 
нарушена продольными и диагональными разломами, то арка недостаточно устойчива вследствие малой реакции силы распора. При 
прочих равных условиях устойчивость выработок зависит от соотношения горизонтальных и вертикальных размеров структурных блоков. 

Влияние структурных нарушений на устойчивость выработок под
чиняется следующим закономерностям: 

• крупные и средние разломы образуют в массиве блоки, несоиз
меримые по величине с размерами выработок. Такие блоки не 
формируют сводов естественного равновесия. Устойчивость выработок в них определяется строением структуры зон разломов 
в контуре выработки; 

 
• мелкие разломы и крупные трещины образуют блоки, соизмери
мые с размерами выработки. Эти блоки участвуют в формировании сводов и называются структурными. Устойчивость выработок 
определяется размерами и взаимной ориентировкой структурных 
блоков с обнажениями; 

 
• мелкая трещиноватость придает массиву мелкоблочное строение 

без нарушения целостности. Такие блоки не участвуют в формировании сводов, но уменьшают прочность массива и тоже учитываются при оценке устойчивости; 

 
• микротрещиноватостъ при определении механических свойств 

массива выполняет ослабляющую роль. 

q =
hγ
2
3

L
2

d1

d2

h

A

В

2
3

L
2

L
2

d2

1
3

d2

1
3

d2

2
3

d2

2
3

Рис. 1.6. Схема образования жесткой шарнирной арки:

2α — пролет предельного свода естественного равновесия пород; h — высота предельного свода естественного равновесия пород; Lmax — максимально допустимая ширина 

пролета; d1 и d2 — соответственно горизонтальный и вертикальный размеры структурных 

блоков; g — объемная масса пород; А и Б — шарниры

Ориентировка нарушения относительно выработки имеет различ
ные функции: согласно расположенные — ограничивают блоки по 
вертикали; продольные и диагональные — по горизонтали. 

По характеру нарушенности крутопадающими структурами 

и влиянию ее на устойчивость выработки подразделяют на три типа 
с (рис. 1.7): 

 
• небольшой нарушенностью мелкими и крупными трещинами 

и поперечными мелкими разломами; 

 
• локальной нарушенностью зонами разломов; 

 
• площадной нарушенностью зонами крупных разломов. 

По характеру послойной и несущей пологопадающей нарушен
ности кровли выработки подразделяют на три типа (рис. 1.8):