Управление состоянием массива горных пород

 
 
 
 
 
С. В. Борщевский, В. Л. Самойлов, В. Е. Нефёдов 
 
 
 
 
 
 
 
 
УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА 
ГОРНЫХ ПОРОД 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
 
1 

УДК 622.8 
ББК 33.11 
Б82 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, заведующий отделом сдвижения 
земной поверхности и защиты подрабатываемых объектов РАНИМИ  
Грищенков Николай Николаевич; 
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой разработки 
месторождений полезных ископаемых ГОУВПО «ДонНТУ»  
Петренко Юрий Анатольевич 
 
 
 
 
 
 
 
 
Борщевский, С. В. 
Б82  
Управление состоянием массива горных пород : учебное пособие /  
С. В. Борщевский, В. Л. Самойлов, В. Е. Нефёдов. – Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2024. – 284 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1629-0 
 
Показаны наиболее эффективные способы управления состоянием массива горных пород соответственно конкретным горно-геологическим условиям и технологическим процессам, приводятся расчёты параметров технологических схем управления 
с обоснованием принятых решений, в том числе с помощью ПК. 
Для студентов специальности «Горное дело». Может быть полезно горным инженерам. 
 
УДК 622.8 
ББК 33.11 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1629-0 
© Борщевский С. В., Самойлов В. Л., Нефёдов В. Е., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Вступление ................................................................................................................ 6 
I. Управление состоянием массива горных пород 
............................................ 7 
1. Общие сведения о дисциплине ......................................................................... 7 
1.1. Управление состоянием массива горных пород – составная часть  
механики горных пород. Цель и задачи дисциплины УСМГП, её связь  
со смежными дисциплинами 
.................................................................................. 7 
1.2. Основная терминология................................................................................... 9 
1.3. Контрольные вопросы ................................................................................... 12 
2. Методы исследования напряжённо-деформированного состояния  
массива горных пород .......................................................................................... 13 
2.1. Классификация методов ................................................................................ 13 
2.2. Методы определения величины сдвижения горных пород ....................... 16 
2.3. Методы определения напряжений в массиве горных пород ..................... 18 
2.4. Методы определения нагрузок на крепи и другие сооружения ................ 29 
2.5. Методы моделирования 
................................................................................. 35 
2.6. Аналитические методы исследования напряжённо-деформированного  
состояния массива горных пород ........................................................................ 49 
2.7. Контрольные вопросы ................................................................................... 54 
3. Механические свойства массива горных пород ......................................... 55 
3.1. Этапы изучения механических свойств. Причины отличия свойств  
в образце и в массиве ............................................................................................ 55 
3.2. Факторы, влияющие на механические свойства массива  
горных пород ......................................................................................................... 57 
3.3. Классификация горных пород в массиве по прочности, слоистости,  
устойчивости непосредственной кровли и степени пучения почвы пласта ...... 
63 
3.4. Контрольные вопросы ................................................................................... 66 
4. Напряженное состояние нетронутого массива 
............................................ 67 
4.1. 1-й тип НС МГП ............................................................................................. 67 
4.2. 2-й тип НС МГП ............................................................................................. 68 
4.3. 3-й тип НС МГП ............................................................................................. 69 
4.4. 4-й тип НС МГП ............................................................................................. 69 
4.5. 5-й тип НС МГП ............................................................................................. 72 
4.6. Контрольные вопросы ................................................................................... 73 
5. Напряженно-деформированное состояние горных пород, вмещающих 
подготовительную горную выработку. Механизм формирования  
нагрузки на крепь выработки ............................................................................ 74 
5.1. НДС вмещающих горных пород при гидростатическом  
распределении напряжений в массиве горных пород ....................................... 74 
5.2. НДС вмещающих горных пород при упруго гравитирующем  
распределении напряжений в массиве горных пород ....................................... 75 
5.3. Типы НДС вмещающих пород при упруго гравитирующем  
распределении напряжений в массиве горных пород ....................................... 76 
5.4. Механизм формирования нагрузки на крепь одиночной выработки ....... 78 
3 

5.5. Роль крепи при различных типах НДС ........................................................ 79 
5.6. Контрольные вопросы ................................................................................... 79 
6. Управление состоянием породного массива с целью повышения  
устойчивости подготовительной горной выработки, не подверженной  
влиянию очистных работ..................................................................................... 80 
6.1. Использование благоприятных горно-геологических условий 
................. 80 
6.2. Сохранение или восстановление прочности вмещающих пород 
.............. 81 
6.3. Создание локальной зоны разгрузки вокруг выработки 
............................ 84 
6.4. Выбор рациональной технологии проведения и крепления горных  
выработок ............................................................................................................... 88 
6.5. Комбинированные способы .......................................................................... 97 
6.6. Контрольные вопросы ................................................................................. 101 
7. Схема сдвижения толщи горных пород и перераспределения  
напряжений при отработке пологого пласта одиночной лавой ................ 102 
7.1. Контрольные вопросы ................................................................................. 106 
8. Перераспределение опорного давления по периметру выработанного 
пространства. Изменение параметров зон опорного давления  
и разгрузки по мере развития очистных работ 
............................................. 107 
8.1. I вариант ........................................................................................................ 107 
8.2. II вариант ....................................................................................................... 107 
8.3. III вариант 
...................................................................................................... 110 
8.4. IV вариант ..................................................................................................... 111 
8.5. Контрольные вопросы ................................................................................. 111 
9. Механизм и особенности сдвижения толщи горных пород  
при разработке свиты пологих пластов ......................................................... 112 
9.1. Нисходящий порядок отработки пластов в свите 
....................................... 112 
9.2. Восходящий порядок отработки пластов в свите ....................................... 113 
9.3. Контрольные вопросы ................................................................................... 114 
10. Особенности схемы сдвижения при отработке крутопадающих  
пластов 
................................................................................................................... 115 
10.1. Контрольные вопросы ............................................................................... 117 
11. Взаимодействие очистных и подготовительных горных  
выработок ............................................................................................................. 118 
11.1. Контрольные вопросы ............................................................................... 119 
12. Структурная формула накопления смещений в подготовительной  
горной выработке, прилегающей к очистному забою ................................. 120 
12.1. Контрольные вопросы ............................................................................... 123 
13. Способы охраны подготовительных горных выработок,  
примыкающих к очистному забою 
.................................................................. 124 
13.1. Охрана выработки целиками угля ............................................................ 124 
13.2. Охрана выработки односторонней бутовой полосой ............................. 126 
13.3. Охрана выработки двусторонней бутовой полосой ............................... 128 
13.4. Охрана выработки БЖБТ и литой полосой из быстротвердеющего  
материала 
.............................................................................................................. 130 
13.5. Охрана выработки деревянными органными рядами ............................ 133 
4 

13.6. Охрана выработки бутокострами ............................................................. 135 
13.7. Охрана выработки деревянными кострами ............................................. 135 
13.8. Проведение выработки вприсечку к выработанному пространству..... 136 
13.9. Проведение выработки по обрушенным и уплотнённым породам ...... 139 
13.10. Контрольные вопросы ............................................................................. 140 
14. Способы охраны подготавливающих горных выработок 
.................... 141 
14.1. Охрана подготавливающих (капитальных) выработок 
.......................... 141 
14.2. Контрольные вопросы ............................................................................... 152 
15. Особенности охраны наклонных выработок при разработке  
свиты пологих пластов 
....................................................................................... 153 
15.1. Контрольные вопросы ............................................................................... 157 
16. Способы охраны штреков крутопадающих пластов ............................. 158 
16.1. Особенности охраны штреков на крутопадающих пластах .................. 158 
16.2. Способы охраны откаточных штреков крутопадающих пластов ......... 158 
16.3. Способы охраны вентиляционных штреков на крутых пластах 
........... 163 
16.4. Контрольные вопросы ............................................................................... 166 
II. Выбор способа охраны и типа крепи горных выработок ...................... 167 
17. Общие положения о курсовом проекте 
..................................................... 167 
17.1. Организация выполнения и защиты курсового проекта ........................ 167 
17.2. Объём проекта и требования к его оформлению .................................... 168 
17.3. Исходные данные для выполнения курсового проекта ......................... 170 
18. Указания по выполнению и оформлению отдельных разделов  
пояснительной записки проекта ...................................................................... 172 
18.1. Характеристика месторождения и анализ условий охраны  
и поддержания выработок (раздел 1) ................................................................ 172 
18.2. Проектирование управления состоянием массива горных пород  
при охране горных выработок (раздел 2) ......................................................... 173 
18.3. Методика расчёта смещений пород на контуре горной выработки  
(подраздел 2.4) ..................................................................................................... 185 
18.4. Разработка рациональных паспортов крепления и охраны  
выработок (подраздел 2.5) 
.................................................................................. 225 
18.5. Контрольные вопросы ............................................................................... 242 
18.6. Технико-экономическое обоснование рационального способа  
охраны горных выработок (раздел 3) 
................................................................ 243 
18.7. Обоснование необходимых объёмов работ по проведению, 
поддержанию, ремонту выработок и других попутных затрат 
(подраздел 3.1) ..................................................................................................... 243 
18.8. Расчёт стоимости отдельных видов затрат (подраздел 3.2) 
................... 244 
Приложение А. Характеристики крепей 
............................................................. 265 
Приложение Б. Характеристики проходческих комбайнов 
.............................. 269 
Приложение В. Примеры изображения способов охраны и охранных  
сооружений ............................................................................................................ 270 
Приложение Г. Ориентировочная стоимость материалов и оборудования 
.... 277 
Литература 
............................................................................................................ 278 
5 

ВСТУПЛЕНИЕ 
Дисциплина «Управления состоянием массива горных пород» является 
профилирующей для студентов специальности 21.05.04 «Горное дело». Этот 
курс оказывает содействие формированию специалиста – горного инженера. 
Учебная цель пособия – опираясь на материал пособия и справочной литературы, студент должен уметь самостоятельно определить наиболее эффективные способы управления состоянием массива горных пород соответственно 
конкретным горно-геологическим условиям и технологическим процессам, разработать проект и выполнить расчёты параметров технологических схем управления с обоснованием принятых решений, в том числе с помощью ПК. 
Горная геомеханика сформировалась в научную дисциплину в XIX столетии в связи с изучением условий обрушения и оседания земной поверхности 
над горными выработками. В России исследования в области горной геомеханики включали охрану сооружений на поверхности от влияния сдвигов горных 
пород, создания программы изучения сдвигов и обрушений пород. 
В Ленинграде в 20-е года XX ст. была организована научная школа по изучению сдвигов горных пород. В 30-е года в Киеве сформировалась научная 
школа, которая изучала поля напряжений вокруг выработок разных размеров и 
конфигураций на основе теории упругости. В 50÷60-е года изучен механизм 
взаимодействия массива горных пород и креплений горных выработок; при 
этом было установлено, что крепления следует рассматривать как активный 
элемент, свойства которого существенным образом влияют на условия деформирования массива окружающих пород. 
За рубежом наиболее известные исследования в горной геомеханике выполнены в Швейцарии, Германии, Бельгии, Австралии, Польше, Чехии. 
Содержание дисциплины «Управления состоянием массива горных пород» 
стало практическим обобщением фундаментальных теоретических результатов 
и составляет весомую часть подготовки горного инженера. 
6 

I. УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА 
ГОРНЫХ ПОРОД 
 
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИСЦИПЛИНЕ 
1.1. Управление состоянием массива горных пород –  
составная часть механики горных пород. Цель и задачи 
дисциплины УСМГП, её связь со смежными дисциплинами 
 
Опираясь на материал раздела и справочную литературу, студент научится самостоятельно формулировать цель и задачи дисциплины, овладеет 
профессиональной терминологией. 
Механика горных пород или горная геомеханика – наука о прочности, 
устойчивости и деформируемости, смещениях массивов горных пород и горнотехнических объектов в поле природных и вызванных влиянием горных работ 
сил горного давления. 
Предметом дисциплины УСМГП являются механические процессы, происходящие в массиве горных пород и связанные главным образом с проведением в нем горных выработок (формирование напряжённого состояния массивов 
пород и его изменения в связи с проведением выработок, сдвижение горных 
пород, взаимодействие пород с крепями горных выработок и др.). 
УСМГП, являясь прикладной дисциплиной, решает следующие задачи: 
− изучение закономерностей изменения напряжённо-деформированного 
состояния вмещающих пород при ведении горных работ; 
− обоснование технологических процессов и параметров выемки полезного ископаемого; 
− управление горным давлением, целенаправленное перераспределение 
напряжений, деформаций, разрушения и упрочнения породного массива, т. е. 
управления напряжённо-деформированным состоянием массива горных пород 
при ведении горных работ. 
На базе исследований обосновываются технологические схемы и параметры горных работ, выбираются системы разработки и определяются их элементы; устанавливаются рациональные способы и схемы управления горным давлением при открытых и подземных разработках; даются рекомендации по оптимальному креплению, поддержанию и охране горных выработок и защите 
других объектов от вредного влияния горных работ. 
Механика горных пород и УСМГП, как её составная часть, тесно связаны с 
рядом наук (рис. 1). И. А. Турчанинов отмечает, что это деление несколько 
условное. С одной стороны механика горных пород является фундаментальным 
разделом горной науки, а с другой – прикладным разделом механики вообще [1]. 
По объекту исследования – массиву горных пород – дисциплина УСМГП 
тесно связана с геологическими науками; по методам изучения – с физикой и 
механикой твёрдого тела. Она использует теории упругости, пластичности, 
ползучести и разрушения, а также методы теории вероятности. 
7 

Рис. 1 – Схема взаимосвязи горной геомеханики (механики горных пород) с другими разделами науки 

Общая методология дисциплины УСМГП состоит в широком использовании и анализе натурных наблюдений с одновременным привлечением методов 
и приёмов моделирования и аналитических исследований на базе теоретических положений из основных разделов современной механики, математических 
и физических аналогий. 
1.2. Основная терминология 
Горное давление – силы, возникающие в массиве горных пород, вблизи 
стенок выработок, скважин, в целиках, на поверхностях контакта порода-крепь 
в результате действия главным образом гравитационных сил, а также тектонических сил и изменения температуры верхних слоёв земной коры. 
Горные породы – природные минеральные агрегаты, слагающие литосферу 
Земли в виде самостоятельного геологического тела. 
Горные работы – очистные и проходческие работы, буровзрывные работы, 
бурение скважин различного назначения (разведочных, дегазационных, для 
осушения или перепуска воды и т. п.), упрочнение или разупрочнение пород 
различными методами, воздействие на массив горных пород различными силовыми полями, например, ультразвуком и т. д. 
Деформации горных пород – изменение формы, размеров и объёма отдельностей или участков горных пород под воздействием горного давления, динамических нагрузок, различных полей (электрических, магнитных, ультразвуковых и др.), тектонических или термических напряжений, а также фазовых превращений при осушении или увлажнении горных пород и других видов горных 
работ. 
Зона разгрузки – часть массива горных пород в зоне влияния очистной или 
подготовительной выработки, в которой напряжения меньше, чем в нетронутом 
массиве. 
Массив горных пород или горный массив – участок земной коры, характеризующийся общими условиями образования и определёнными инженерногеологическими свойствами слагающих его горных пород, в котором распространяются физические процессы, связанные с ведением горных работ. 
Напряжение – величина внутренних усилий (в массиве, целиках, крепи  
и т. д.), приходящихся на единицу площади, на которую они действуют, вызванных внешними силами или различными физическими полями. 
Область влияния горной выработки – часть массива горных пород, в пределах которой происходят деформации, сдвижения и обрушения пород, изменяется 
величина напряжений, т. е. происходит изменение напряжённо-деформированного состояния пород в результате ведения работ. 
Опорное давление – добавочное к весу горных пород давление, вызванное 
зависающими над выработанным пространством породами. Опорное давление 
представляет собой нормальные к пласту сжимающие напряжения, действующие вблизи опорного контура (на массивы, целики полезного ископаемого, 
крепи) по всему его периметру. 
9 

Оседание горных пород – вертикальная составляющая полного вектора 
сдвижения точки поверхности или массива горных пород. 
Относительное сдвижение горных пород – изменение расположения пород относительно некой точки (репера, почвы выработки и т. д.) в результате 
нарушения их равновесия, вызванного ведением работ. 
Охрана горных выработок – комплекс дополнительных мероприятий, 
направленный на сохранность выработок в эксплуатационном состоянии в течение требуемого периода. 
Поддержание горных выработок – совокупность мероприятий по охране, 
креплению и ремонту выработок для обеспечения их эксплуатационного состояния в течение срока службы. 
Проявление горного давления – явления и процессы в массиве горных пород, вызываемые горным давлением при ведении горных работ, проявляющиеся в виде различного рода сдвижений, деформаций и разрушений вмещающих 
пород и полезного ископаемого, нагрузок на крепь, закладку, обрушенные породы и другие, естественные и искусственные сооружения, а также в виде различных газодинамических явлений – горных ударов, внезапных выбросов угля 
и газа, песчаников и т. д. 
Разрушение горной породы – нарушение сплошности горной породы в результате тех или иных воздействий на неё. 
Расслоение горных пород – нарушение связи между слоями горных пород в 
процессе их сдвижения. 
Сдвижение горных пород – перемещение и деформирование массива горных пород вследствие нарушения его естественного равновесия при ведении 
горных работ. 
Сползание горных пород – сдвижение горных пород по плоскостям напластования. 
Управление состоянием массива горных пород – управление физическими 
процессами, происходящими в горном массиве и приводящими к изменению 
физических свойств и напряжённо-деформированного состояния массива горных пород. 
Устойчивость горных выработок – способность обеспечивать функционирование с эксплуатационными характеристиками в течение заданного срока 
службы. 
Устойчивость горных пород – способность горных пород сохранять равновесие при их обнажении. 
Эксплуатационное состояние выработки – рабочее состояние, обеспечивающее выполнение выработкой своих функций (назначения) в течение срока 
службы при соблюдении Правил Безопасности. 
Необходимо отметить, что понятие «горное давление» уже долго является 
предметом дискуссий. Многие учёные пытаются его конкретизировать.  
И. А. Турчанинов указывает, что этот термин в настоящее время устарел и что 
современным термином является «напряжённо-деформированное состояние 
массива пород», исчерпывающе отражающее состояние массива пород, как 
при наличии выработок, так и при их отсутствии. К. В. Кошелев и др. тракту10