Практическая геомеханика

А.В. Makarov 

PRACПCAL ROCK 
MECHANICS 

Manual for mining 
engineers 

~ 

) 

MOSCOW 

PUBLISHING HOUSE 
•GORNAYA KNIGA• 

2006 

А.Б. Макаров 

ПРАКТИЧЕСКАЯ 

ГЕ О МЕХАНИКА 

Пособие для горных 

инженеров 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 

.rоРНАЯ книrл~ 
2006 

УДК 622.83 

ББК 33.1 
м 15 

Кннга соответствует « Гнгнеюrчесюш требования~! к нзданням кннжным 

для взрослых. СанПнН 1.2.1253-03 ~. утвержденным Главным 
rосударственньш саюrтарны~ 1 вpa'JO~I Росснн 30 марта 2003 r. 

Макаров А.Б. 

М 15 
Пракnrческая rеомеханика. Пособие для горных инженеров. М.: Изда
тельство ~ Горная книга•>, 2006. - 391 с.: нл. 

ISBN 5-98672-038-5 (пер.) 

Обычно КiiИПI по геомеханнке содержат большое колнчество математических выражений, формул , урав н ен нй. Это необходшю для того , чтобы проннкнуть в суть прнродных явлений, с которьши сталкиваются шахтеры. Но зачастую формул оказывается так много , что из-за них от горняков ускользает 

смысл процессов. Поэтому появился большой разрыв между современньшн 

достнже шtями геомеханикн и уровнем понiшашiя природы горного давлен ня 

ннженерами , которые руководят горнымн работамн. Данное пособне основано 

на практнческом опыте работы рудников, в первую О'Iередь корпорац1111 « Казахмыс~. Оно предназначено для того , чтобы сократить разрыв между теорнеii 11 практ11кой , поэто~tу в нем почти нет формул. Суть геомеханнческнх процессов 11 явленнli r1ри подзе~Iно1"1 добыче руды объясняется достушrымt t словами, простьшн схема~ш. наглядньшн нллюстрацнямн , ПIПнчнымн прнмера мн нз практнкн. Автор надеется , что нз поюuщшня прнроды геомеханнческнх 

явленшl 11 процессов появtiтся уменне уnравлять горным давле нн ем . 

Пособ11е предназначено для горных 11нженеров подземных рудннков, будет полезно студентам горных вузов . 

Makarov А.В. 

Pгactical госk шесhапiс . Мапнаl Гог шiпiпg епgiпеегs. 
·1.: PнЬli s l1iпg 

llouse « Gогпауа kniga», 2006. 391 р.: il. 
Books оп Rock Mechaпics c011teпt usually тапу mathematical expгessioпs, 

t'oгmнl as апd eqti atioпs. They аге пecessary to get to the гооt о Г tl1e паtн га! р11епоmепа апd ргоЫеms \\'hich шiпiпg епgiпеегs н s нally to !"асе. Bul iп fact theгe 

а1·е so тапу Гогпшlаs , that the esseпce of the meaпiпg escapes the miпeг's пotice. 
Thus а laгge gap bet1veeп the nюderп ach i eveтeпts of geoшecl1anics and tl1e 

uпdeгstaпdiпg ot госk ргеssше паtuге Ьу miпing епgiпеегs 1vlю coпduct the miпiпg ll'oгk. This maпual is based оп pгactical ехре гiепсе of the нпdе1·gгоuпd miпes 
of « Kazakhтys ~ согрогаtiоп апd is iпteпded to гeduce the gap bet\\'een tl1eoгy 

апd pгactice. Theгefore tl1eгe а1·е scarcely по foпш1las iп it. Esseпce of geomechanical ~l1епотепа is exp laiпed 1vith siтpl e 1voгds , via easy ot'. access schemes, 

tl1гough VISL!al a1ds а пd practical exaт pl es . The authoг !юре tl1at from uпd erstandiпg ol паtше of geoтec lшпical p1·ocesses and рl1епотепа skill st1-ata сопtго l 1vill соте 

iпto Ьеiпg. 

Manнal is iпteпded for miпiпg eпgiпeers ot· нпdегgгонпd тiпеs ш1d "'ill Ье 
useftii fог stнcl eпts of miпiпg unil'eгsity . 

ISBN 5-98672-038-5 
© А.Б. Макаров, 2006 

УДК 622.83 
ББК 33.1 

© Издательство .;:Горная книга ~. 2006 
© Днзаi'tн кннгн. Издательство .;:Горная 

КНI!Га ~. 2006 

Макаров Александр Борисович , доктор технических наук, профессор, 
заведующий 
кафедрой 

маркшейдерского дела Российского государственного геологоразведочного университета, специалист 

в области геомеханики подземной и 

комбинированной разработки рудных месторождений, главный геомеханик-консультант корпорации << Казахмыс» (Казахстан) , член редколлегии 
<< Горного журнала», почетный член Союза маркшейдеров 

России. 

А.Б. 
Макаров , 
ученик профессора В.И. 
Борщ-Компонийца, 

по результатам проведеиных на рудниках Жезказгана исследований в 1982 г. защитил кандидатскую, а в 1992 г. докторскую диссертацию по проблеме управления сдвижением и горным давлением при подземной и комбинированной повторной 

разработке Жезказганского месторождения. 

Научная и производственная деятельность А.Б. Макаро ва в качестве главного геомеханика-консультанта связана с 

корпорацией << Казахмыс>>, объединившей вокруг ЖГМК все 

горно-металлургические комбинаты медной подотрасли Казахстана . В Жезказгане он принимает активное участие в геомеханическом обосновании технологии извлеЧения междукамерных целиков , 
теоретически доказывает позитив-ную роль 

процессов погашения выработанного пространства посредством обрушения в нормализации геомеханической обстановки. 

Разрабатывает методики расчета горного давления при разрушении и извлечении целиков. На Иртышском руднике обосновывает новые горные меры охраны стволов шахт при отработке предохранительных целиков. На Жезкентском ГО Ке ведет работы по прогнозу и предотвращению горных ударов, 

обоснованию рациональных способов поддержания горных 

выработок на глубоких горизонтах. 

Научную и производственную деятельность Александр 

Борисович совмещает с преподаванием курса геомеханики в 

РГГРУ (ранее МГРИ-МГГА-МГГРУ). Им подготовлены 12 

кандидатов и 2 доктора технических наук, опубликовано более 
100 научных трудов. 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Горное давление опасный противник горняков, неожиданный, коварный . Оно стережет земные недра и спрашивает за них с людей высокую плату. Невидимое во время затишья, оно грозно напоминает о себе, становясь стихией, когда нарушаются законы равновесия и движения 

недр, данные природой. 

Гете сказал: «Люди гибнут за металл>>. Для горняков 

это не метафора, а реальность. 

Горный инженер обязан обеспечить безопасность работающих с ним людей. Для этого в его руках масса возможностей . Во власти горняка выбор системы разработки , назначение ее параметров, определение направлений и порядка ведения горных работ, типов применяемого оборудования, параметров взрывных работ, крепи. Много всего. Но 

все эти технологические решения будут оправданы только 

в 
одном случае когда они согласованы с законами 

проявлений горного давления, когда используемые способы 

и методы управления горным давлением соответствуют 

природным условиям. 

Научить горняков не лезть напролом, не перечить природе, а согласовывать свои действия с ее законами вот 

смысл науки об управлении горным давлением геомеханики . 

Горные инженеры-геомеханики изучают свойства земных недр, силы, действующие в массиве горных пород. Натурные исследования форм и закономерностей проявлений 

горного давления в шахтах и рудниках осмысливаются в 

лаборатории методами теоретического и статистического 

анализа, математического моделирования. Синтез теории, 

практического опыта , натурных исследований и моделирования позволяет находить оптимальные технологические 

решения, согласованные с законами природы. 

7 

Автор выражает глубокую благодарность руководству 

корпорации ~казахмыс~, оказавшему всестороннюю поддержку в написании и издании книги. Особую признательность автор выражает вдохновителям данного издания д-ру 

техн. наук Руслану Борисовичу Юну и канд. техн. наук 

Александру Борисовичу Юну. Именно они задали формат 

и стиль книги в виде практического пособия для горных 

инженеров, максимально доступного для понимания. Особое внимание в книге уделено описанию и анализу видимых проявлений горного давления, с которым горные инженеры, руководящие горными работами на рудниках, постоянно сталкиваются на практике . Наиболее существенные 

практически 
е выводы, которые следуют из анализа конкретных геомеханических ситуаций, автор представил в виде ~советов геомеханика~. ~ Советы взрывника~ сформулированы канд . техн. наук Юрием Петровичем Щепкиным. 

Автор выражает глубокую признательность своему учителю, выдающемуся ученому, профессору Виталию Петровичу Борщ - Компонийцу , в руки которого он попал студентом первого курса Московского геологоразведочного института. Именно он показал автору сложность, глубину и практическую значимость геомеханики. 

Автор благодарит своих многочисленных коллег горняков, геомехаников, маркшейдеров и геологов корпорации 

<< Казахмыс ~, практический опыт которых он старался 

максимально отразить в данной книге. 

Большое количество расчетов, приведеиных в книге, выполнены учениками автора: канд. техн. наук А.А. Терешиным, инж. Д . В. Мосякиным, инж. А.А. Карпиковым, которым автор выражает свою благодарность. 

Глава 1 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 

О ГОРНОМ ДАВЛЕНИИ 

Все , что находится ниже земной поверхности , горняки 

называют .массивом горных пород. В нем горняки сооружают выработки (вскрывающие, подготовительные, нарезные), 

необходимые для добычи руды. Пустоты , 
образующиеся 

при добыче руды, называют очистными выработками. 

Горное давление силы, возникающие в массиве горных пород в результате действия гравитации и тектонических напряжений, существующих в земной коре из-за современных тектонических процессов (подробнее о тектонических напряжениях см. в главе 3). 

Горняки знают о существовании горного давления в 

массиве, потому что они в своей повседневной работе в 

шахтах постоянно сталкиваются с проявлениями горного 

давления. 

Проявления горного давления механические процессы (смещения, деформации, разрушения .массива, нагрузки на крепь, давление на целики) , 
происходящие в 

массиве горных пород, как реакция массива на нарушение 

исходного (природного, существовавшего до начала горных 

работ) напряженного состояния при ведении горных работ. 

Смещения массива горных пород происходят вокруг 

любых выработок (и подготовительных, и очистных). Ту 

часть массива горных пород, в которой происходят смещения и изменяется напряженное состояние, называют областью влияния выработки . 

Подготовительные выработки имеют 1-1.еболъшое сечение. Приче.м, 

как правило, высота и ширина выработки примерно оди1-1.аковы. Поэтому и область их влияния 1-1.а состояние массива тоже неболъшая 

(примерно ее радиус можно оценить как 2- 3 габарита выработки 

во всех иаправлш1иях: вверх, вниз и в обе стороиы от выработки). 

Смещения массива моЖ'Н.о заметить по иЗJttенению коитуров горных 

выработок: кровля, проzибаясь, опускается, почва поднимается, 

стенки сближаются из-за их смещений к центру выработки. Вито
11 

ге сечение выработки УА1е7·tьшается. По мере удаления от коитура 

выработки смещения массива постепенио уменьшаются и на границе области влuяни.я выработки затухают. 

Размеры о-чистных выработок существенно больше, чеАt подготовительны:t:. Обычно пролет выработаююга пространства превышает выеАючную Ающность залежи во много раз. За габарит очистной 

выработки прииимают пролет выработанного пространства. Поэтому и области влияния очистных выработок значителыю больше. 

Смещения массива распространяются на большие расстояния от 

очистной выработки и, как правило, достигают земной поверхнос ти . На зеАи-юй повер:>.1-юсти образуется .мульда сдвижения, в пределах которой происходят оседания и горизонтальные смещения 

земной поверхн.ости (подробнее о сдвижении горных пород CAt. в главе 9). 

Из-за неравномерности смещений массив горных пород 

дефор.мируется : 
сжимается, растягивается , 
изгибается, 

сдвигается. При деформировании массива изменяется его 

напряженное состояние. Вокруг выработок возникают зоны 

разгрузки и концентрации напряжений. В зонах разгрузки действующие напряжения по сравнению с природными 

снижаются; в зонах концентрации увеличиваются. Если 

выработки закреплены, то несущие элементы крепи ( анкеры, стойки металлической рамной крепи), деформируясь 

совместно с массивом, напрягаются и начинают нести нагрузку, препятствуя дальнейшим смещениям массива. 

Если действующие в массиве напряжения достигают 

прочности пород, массив разрушается . Кровля выработок 

обрушается . Бока выработок раздавливаются. Раздавленные 

участки массива отслаиваются, сползают, обрушаются в выработку. Междукамерные целики, если нагрузка на них 

превышает их несущую способность, разрушаются . 
После 

разрушения группы целиков начинается обрушение налегающей толщи пород. В определенных условиях обрушение 

может достичь земной поверхности . В этом случае на ней 

образуется провал. 

Разрушение массива происходит путем образования в 

нем трещин различных размеров , по которым монолитный 

ранее массив расчленяется на более мелкие блоки. Образование трещин сопровождается треском . 
Треск вызван упругими колебаниями массива, возникающими при образовании трещины. Упругие колебания (волны) при этом распространяются в массиве во все стороны. 
12