Геомеханическое обеспечение открытых горных работ

Москва 2024
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
Университет науки и технологий МИСИС
ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ
Кафедра геологии и маркшейдеркого дела
Ю.В. Кириченко 
М.В. Щёкина 
И.А. Мельниченко
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ 
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОТКРЫТЫХ 
ГОРНЫХ РАБОТ
Учебное пособие
Рекомендовано редакционно-издательским  
советом университета
№ 4351

УДК 622.1 
 
К43
Р е ц е н з е н т ы : 
д-р техн. наук, проф. В.В. Мельник (НИТУ МИСИС); 
д-р техн. наук, проф. Ю.И. Кутепов (ООО «КАРБОН»)
Кириченко, Юрий Васильевич.
К43  
Геомеханическое обеспечение открытых горных работ  : учеб. пособие  / Ю.В.  Кириченко, М.В.  Щёкина, 
И.А. Мельниченко. – Москва : Издательский Дом НИТУ 
МИСИС, 2024. – 128 с.
ISBN  978-5-907560-79-6
Учебное пособие предназначено для  выполнения практических работ по  дисциплинам «Геомеханическое обеспечение открытых горных работ», «Геомеханическое обеспечение горных 
работ», «Управление устойчивостью откосных сооружений» для 
специальности «Горное дело» и решения основных задач по установлению и  прогнозу изменения геомеханических критериев 
экологической безопасности инженерной деятельности. Пособие 
включает в себя семь разделов, сопровождающихся примерами 
решения задач. В приложениях приводится инструкция по применению программы, позволяющей определять коэффициент запаса устойчивости откосных сооружений, и сведения о порядке 
проведения лабораторных работ.
Предназначено для обучающихся в специалитете по направлениям подготовки 21.05.04 «Горное дело», 21.05.05 «Физические процессы горного и нефтегазового производства», 23.05.01 
«Наземные транспортно-технологические средства».
УДК  622.1
Кириченко Ю.В., 
Щёкина М.В., 
Мельниченко И.А., 2024
ISBN  978-5-907560-79-6
НИТУ МИСИС, 2024

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.................................................................5
1.  Физическое состояние и классификационные  
показатели пород...........................................................6
1.1.  Общие сведения...................................................6
1.2.  Решение задач................................................... 10
2.  Оценка классификационных показателей  
горных пород............................................................... 22
2.1.  Общие сведения................................................. 22
2.2.  Решение задач................................................... 25
3.  Сжимаемость горных пород под воздействием  
внешних нагрузок........................................................ 28
3.1.  Общие сведения................................................. 28
3.2.  Решение задач................................................... 32
4.  Консолидация горных пород..................................... 36
4.1.  Общие сведения................................................. 36
4.2.  Решение задач................................................... 40
5.  Прочность горных пород........................................... 46
5.1.  Общие сведения................................................. 46
5.2.  Решение задач................................................... 51
6.  Расчет устойчивости откосных сооружений................. 55
6.1.  Общие сведения................................................. 55
6.2.  Решение задач................................................... 56
6.3.  Пример расчета устойчивости методом  
касательных напряжений.......................................... 66
6.4.  Пример определения влияния геометрических 
параметров откоса и физико-механических свойств 
слагающих его пород на устойчивость.......................... 73
6.5.  Повышение устойчивости откосных  
сооружений............................................................. 77
6.5.1.  Общие положения........................................ 77
6.5.2.  Решение задач............................................. 78

6.6.  Обеспечение устойчивости при формировании 
дополнительной пригрузки........................................ 82
6.7.  Внезапные прорывы воды в горные выработки....... 89
7.  Геомеханическое обоснование дальнейшего 
использования техногенных массивов............................. 94
7.1.  Несущая способность слабых оснований................ 94
7.2.  Инженерно-геологическое районирование  
намывных территорий............................................... 99
7.3.  Решение задач................................................. 101
Библиографический список......................................... 106
Приложение  1.  Инструкция по использованию  
программы для определения коэффициента запаса 
устойчивости откосных сооружений............................. 107
П1.1.  Общие сведения............................................. 107
П1.2.  Порядок работы с программой ust1.................. 109
Приложение  2.  Порядок выполнения лабораторных 
работ по определению прочностных и компрессионных 
характеристик горных пород....................................... 116
П2.1.  Компрессионные испытания глинистых  
пород.................................................................... 116
П2.2.  Определение показателей сопротивления  
сдвигу глинистых пород........................................... 119

ПРЕДИСЛОВИЕ
Горная геомеханика – научная дисциплина, изучающая 
механические процессы, развивающиеся в  толщах горных 
пород (массивах) при производстве горных работ.
Геомеханика открытых горных работ рассматривает вопросы устойчивости карьерных откосов, оценки несущей способности естественных и искусственных оснований, прогноза 
деформаций сдвига и уплотнения бортовых и отвальных массивов, направленного изменения и контроля массивов пород 
в бортах карьеров, а также техногенных насыпных и намывных массивов отвалов, гидроотвалов и хвостохранилищ.
В учебном пособии содержатся краткие сведения о механических процессах в массивах горных пород и техногенных 
отложений, приводятся примеры решения геомеханических 
задач, рассматриваются современные методы воздействия 
на массив.
Расчетно-графические работы сопровождаются инженерными расчетами на ЭВМ по оригинальным программам, которые разработал старший научный сотрудник кафедры геологии 
В.Н. Зуй (прил.  1). Сведения о порядке проведения лабораторных работ по определению физико-механических свойств горных пород (прил.  2) предоставил доцент С.А. Пуневский.

1.  ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ 
И КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ 
ПОРОД
1.1.  Общие сведения
Состояние горных пород в  условиях естественного залегания или в образце определяют такие показатели, как плотность горной породы, плотность минеральных частиц, плотность сухой породы, пористость, влажность. По ним можно 
косвенно судить о прочностных и деформационных свойствах 
породы, устойчивости инженерных сооружений, а также об 
их изменении под  влиянием современных геологических и 
горно-геологических процессов, вызванных инженерной деятельностью человека.
В общем случае значение плотности породы определяется 
плотностью минеральных частиц, т.е. минеральным составом, а также пористостью (наличием пустот в породе) и 
влажностью. Увеличение плотности минеральных частиц, 
слагающих породу, повышает значение плотности, увеличение пористости уменьшает ее плотность. Увеличение влажности при неизменной пористости приводит к повышению плотности породы. Плотность породы характеризует ее физическое 
состояние и степень уплотненности. Так, для глинистых пород 
уменьшение разницы между значениями плотности и  плотности минеральных частиц свидетельствует об  уплотнении 
породы. Плотность минеральных частиц не  отражает непосредственно физическое состояние породы и не используется 
в инженерных расчетах, но эта величина необходима для вычисления других показателей, например пористости. Плотность сухой породы, так же как и плотность породы, отражает 
степень ее уплотненности и  обычно используется в  качестве 
контрольного показателя уплотненности земляных сооружений – отвалов, насыпей, дамб.
Наличие в породе пустот, имеющих размеры, меньшие капиллярных размеров, принято называть пористостью, при 

этом значение пористости n равна отношению объема пор Vп 
ко всему объему V0 породы (пористость всегда меньше единицы, или 100 %).
Под коэффициентом пористости e понимают отношение 
объема пор Vп в породе к объему ее твердой части – минерального 
скелета, Vс. Значение e может достигать 3…6, или 300…600 %).
По  размерам поры делят на  некапиллярные (больше 
0,5  мм), капиллярные (0,5…0,0002  мм) и  субкапиллярные 
(меньше 0,0002 мм). В некапиллярных порах подземная вода 
движется под воздействием силы тяжести или гидростатического напора; в капиллярных в основном под влиянием капиллярных сил; в  субкапиллярных вода находится в  связанном 
состоянии. Поры могут быть открытыми (сообщающимися) 
или закрытыми (несообщающимися). Течение жидкости происходит по сообщающимся порам, которые образуют активное поровое пространство. Сообщающиеся и несообщающиеся поры образуют общее поровое пространство. Выделяют 
также эффективное поровое пространство – эффективную пористость, под которой понимают общий объем сообщающихся пор за  вычетом пространства, занятого связанной водой. 
В раздельно-зернистых грунтах преобладают сверхкапиллярные (некапиллярные) и  капиллярные поры, а  эффективное 
поровое пространство незначительно отличается от  общего 
порового пространства. Для  глинистых пород толщина слоя 
связанной воды соизмерима с размером пор, а эффективное поровое пространство значительно меньше общего порового пространства. Наличие активной пористости (порового пространства) определяет движение жидкости в породах и способность 
их к деформациям (уплотнению).
Пористость определяет плотность, прочность, деформируемость, водопроницаемость пород, влияет на такие их 
качества, как сопротивляемость выветриванию, морозоустойчивость, сейсмостойкость. Значения пористости грунтов изменяются от долей процента до 60 % и более (например, 
глинистых пород, находящихся на начальных стадиях литификации, торфа, ила), а коэффициент пористости может пре

вышать 100 % (например, для сапропелей он может достигать 
1200 %, или 12).
Физические свойства пород зависят не только от абсолютного значения пористости, но также и от структурных особенностей порового пространства  – размеров и  формы пор, 
распределения их в объеме породы.
В  условиях естественного залегания в  порах и  трещинах 
обычно находится вода, количество которой определяет естественную влажность породы и оказывает влияние на ее состояние и свойства. Ниже уровня грунтовых вод естественная 
влажность пород почти не  изменяется, выше  – в  зоне аэрации – наблюдаются суточные, сезонные и годовые колебания 
этой величины, связанные с природными факторами, такими 
как изменения температуры, атмосферного давления, выпадение осадков, положение уровня грунтовых вод, а также с воздействием инженерных работ, вызывающих подпор грунтовых 
вод, утечки из водопроводных и дренажных систем и очистных 
сооружений.
Влажность раздельно-зернистых и глинистых пород в условиях естественного залегания изменяется в больших пределах. Так, естественная влажность песков We в  зоне аэрации 
достигает 4…5 %, в зоне капиллярного увлажнения и насыщения – 27…30 %. В глинистых породах малой и средней степени литификации (глинах, уплотненных глинах) эта величина 
изменяется от 12…15 до 50…60 %, в породах высокой степени 
литификации (аргиллитах) снижается до 3–5 %. Естественная 
влажность песков при прочих равных геологических условиях 
изменяется в зависимости от их гранулярного состава, наличия 
примесей глинистых частиц и органики и плотности сложения. 
Естественная влажность глинистых пород изменяется в  зависимости от степени их дисперсности, минерального состава 
тонкодисперсной части, емкости поглощения и состава обменных катионов, примесей органики и  степени литификации.
Для  инженерно-геологической оценки пород обычно используют такие показатели, как весовая влажность W и объемная влажность W0, а  также коэффициент водонасыще

ния G, который равен отношению объема воды в порах Vв к 
общему объему пор Vп.
По значению G, изменяющемуся от 0 до 1, выделяют породы маловлажные (G  < 0,5), влажные (G  = 0,5…0,8) и  водонасыщенные (G  > 0,8). Коэффициент водонасыщения характеризует также фазовый состав песчаных и  глинистых 
пород. Различают следующие состояния породы:
1)  абсолютно сухая порода (G  = 0), состоящая из  двух 
фаз – минерального скелета и воздуха (газов) в порах; в такое состояние она переходит в лабораторных условиях путем 
высушивания при температуре 105…110 °С до тех пор, пока 
ее масса не станет постоянной;
2)  воздушно-сухая порода (G  ≤ 0,2), состоящая из  трех 
фаз – скелета, воздуха пор и физически связанной воды; при 
подобной влажности песчаные породы рыхлые и сыпучие, а 
глинистые породы отличаются наибольшей прочностью, связностью и твердостью;
3) маловлажная порода (G = 0,2…0,5), состоящая из трех 
фаз – скелета, воды (физически связанной с поровой) и воздуха; встречается в зоне аэрации и капиллярного увлажнения; 
при  такой влажности песчаные породы имеют кажущуюся 
связность, глинистые находятся в твердом, полутвердом, тугопластичном или мягкопластичном состоянии;
4)  влажная порода (0,5  < G  < 0,95), состоящая из  трех 
фаз – твердой, поровой влаги и воздуха; имеет повсеместное 
распространение на различных глубинах, ее состояние изменяется в зависимости от плотности, влажности и степени литификации;
5)  водонасыщенная порода (G  @ 1), состоящая из  двух 
фаз – минерального скелета и воды, полностью заполняющей 
поры; полностью водонасыщенными являются породы, залегающие ниже уровня грунтовых вод, донные отложения водоемов или намывные техногенные отложения.
Необходимо отметить, что показатели состояния породы 
взаимосвязаны и могут быть выражены в формулах при их 
определении друг через друга.

1.2.  Решение задач
Задача  1.1.  Определение показателей состояния горной 
породы
Образец породы объемом V0 и массой q0 после высушивания в термошкафу при температуре 104…105 °С занимает объем Vс и имеет массу qс (табл.  1.1).
Требуется определить следующие параметры:
• плотность породы g;
• плотность минеральных частиц D;
• плотность сухой породы gс;
• плотность взвешенной в воде породы gвзв;
• пористость n;
• коэффициент пористости e;
• весовую влажность W;
• влажность полностью водонасыщенной породы Wнас;
• объемную влажность W0;
• коэффициент водонасыщения G.
По  значению G нужно установить степень водонасыщения породы и ее фазовый состав.
Таблица  1.1
Исходные данные для решения задачи  1.1
Номер варианта
q0, г
V0, см3
qс, г
Vс, см3
1
87,52
40,51
81,09
29,59
2
86,18
41,63
71,6
26,81
3
85,76
41,83
71,95
27,67
4
65,29
31,09
55,96
20,34
5
63,45
29,64
53,66
19,44
6
51,20
36,57
49,73
18,98
7
35,17
17,15
29,50
12,60
8
32,71
15,72
27,04
9,76
9
25,31
11,72
22,26
8,12
10
20,53
9,91
17,04
6,38
11
96,59
45,21
88,34
35,87
12
97,62
42,69
87,96
30,01
13
94,28