Геомеханическое обоснование подземных горных работ

Москва  2019
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»

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-деформирован-
ного состояния (НДС) горных пород при очистной выемке угольных пластов. 
Рассмотрены геомеханические процессы, происходящие при ведении горных 
работ, а также технологические способы изменения напряженно-деформиро-
ванного состояния пород, основные способы обеспечения устойчивости гор-
ных 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 разра-
ботка 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

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

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

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 сыпу-
чую или дискретную блочную, сдвижению или обрушению пород с об-
разованием на земной поверхности мульд, оползней и провалов).
Необходимость научного обоснования выбора способов и пара-
метров строительства горнотехнических сооружений вызвана совре-
менным состоянием развития горной механики и задачами, решае-
мыми 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, располо-
жении и свойствах слагающих его пород, их трещиноватости и связ-
ности, величинах и направлении напряжений и внешних сил); во-
вторых, о характере, закономерностях, количественных показателях 
и размерах областей, где возникают деформации нарушения, сдви-
жения и обрушения, происходящие в массиве при проведении в нем 
горных выработок.
Эти исследования позволяют получить достоверные данные о ме-
ханических 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 конструк-
ций и, как следствие, разработать инженерные методы решения ос-
новных практических задач горной геомеханики.
Предметом научной дисциплины являются – комплексное изуче-
ние горно-геомеханических состояний и процессов, установление их 
количественных показателей и зависимостей от горно-геологических 
и горнотехнических факторов для расчетов и выбора рационального 

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 ископае-
мых и строительстве других инженерных сооружений.
Задачей дисциплины «Геомеханическое обоснование подземных 
горных работ» является развитие у студентов знаний о закономер-
ностях 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 геомеханиче-
ских 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. 

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 геостатиче-
ским. 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.

А
Ж
Г
К
О
Л
1
1
2
2
2
2
М
Б
З
В
С
И
I
IIб
IIIб
IVб
IVб
IVa
Va
Vб
IVa
IV
IIа
IIIа
Д
Е
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 сдвиже-
ний и опорного давления расположены зоны наибольшего прогиба 
пород – IIа и IIб.

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 рас-
положения забоя. В длинных очистных забоях при этом необходимо 
поддерживать только узкую полосу призабойного пространства, кото-
рое 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 об-
условлено многообразием горно-геологических характеристик: мощ-
ностью пластов, их структурой и свойствами; углами залегания; 
свойствами вмещающих пород; обводненностью и газонасыщенно-
стью, а также способами управления горным давлением; применяе-
мыми 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 выем-
ке 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 давле-
ния учеными различных стран решались вопросы взаимодействия по-

родного контура и крепи в подготовительных одиночных выработок 
вне зон влияния горных работ. Это позволило сформировать опреде-
ленные критерии, на базе которых возникли отдельные гипотезы про-
явлений горного давления для различных горнотехнических условий 
при проведении одиночных выработок.
В настоящем учебнике рассмотрены только те гипотезы, на базе 
которых созданы расчетные методики определения величины горного 
давления для конкретных горно-геологических условий.
1.2. Гипотезы горного давления
1.2.1. Гипотезы горного давления  
в подготовительных выработках
Проведение горной выработки вносит изменение в естественное 
напряженное состояние массива и вокруг выработки образуется об-
ласть, в которой напряжения отличаются от напряжений в ненару-
шенном массиве. Эти новые, более высокие по сравнению с геостати-
ческими, нормальные к пласту сжимающие напряжения, возникшие в 
результате ведения горных работ и перераспределения веса пород над 
выработанным пространством на нетронутые части массива называют 
опорным давлением.
В горнотехнической литературе опорное давление связывают с 
работой очистных забоев. В соответствии с определением опорного 
давления проявляется оно во всех горных выработках, в том числе и 
одиночных.
В рассматриваемой области выполнены многочисленные шахтные, 
лабораторные и теоретические исследования. Несмотря на значительную 
результативность исследований, процессы деформаций, перемещений 
и разрушений горных пород вблизи выработки исследованы 
далеко не полно. При этом выявлен ряд новых, неизвестных ранее, 
не учитывавшихся обстоятельств и закономерностей процессов деформаций 
и напряжений горных пород, окружающих выработки, что 
связано не только с возрастанием глубины работ, но и с развитием методов 
исследований проявлений горного давления в шахтных и лабораторных 
условиях, новой аппаратурой, углублением исследований, 
уточнением известных закономерностей, выявлением новых сторон 
явлений и развитием теории, а также включением в эксплуатацию все 

более сложных месторождений. Для решения данной задачи в насто-
ящее время применяются методы механики сплошной среды: теория 
упругости, пластичности, сыпучей среды и комбинированных сплош-
ных сред.
Приложение методов механики сплошной среды к решению гор-
ных задач осуществляется на основе различных гипотез, которые 
отличаются между собой по совокупности исходных допущений и 
предположений.
Наиболее распространенными из этих гипотез являются:
1. Гипотеза сплошной среды: А.Н. Динник, Г.Н. Савин и др.
2. Гипотеза пластичной среды: В. Штоке, Г. Герман и др.
3. Гипотеза упруго-пластичной среды: А. Лабасс, К.В. Руппенейт 
и др.
4. Гипотеза наследственной ползучести: Ж.С. Ержанов, А.П. Мак-
симов и др.
Если считать, что до проведения выработки в нетронутом массиве 
вертикальные к напластованию напряжения σ0 на глубине Н равны γН 
(где γ – плотность пород), то создание искусственной полости обу-
словливает повышение напряжения до величины σ1 (рис. 1.2).
А1                А2                А3                                   А4
I1                  I2                          I3                                 I4
а
б
Н
gН
2gН
Рис. 1.2. Распределение напряжений вблизи одиночной выработки: 
а – по горизонтальной оси выработок; б – в вертикальном сечении

Проведение выработки (создание полости) приводит к концентра-
ции напряжений вблизи ее контура. Расстояние от выработки, на кото-
ром начинается изменение геостатического давления, называется зоной 
влияния выработки. Известно, что при круглой форме поперечного се-
чения выработки напряжения на ее контуре равны KγН. Если вне зоны 
влияния выработки в точке А1 напряжения равны геостатическим γН, 
то по мере приближения забоя они растут и в забое А2 равны KγН, где 
K – коэффициент концентрации напряжений непосредственно в сече-
нии забоя выработки. Максимальное напряжение KγН будет иметь ме-
сто на некотором расстоянии от забоя, где влияние забоя отсутствует.
Можно считать, что на участках А1 и А2 напряжения повышаются 
от γН до KγН (А3). После достижения напряжениями максимальных 
значений скорость деформации начинает уменьшаться. Точка переги-
ба в изменении напряжений и скоростей деформаций разделяет зоны 
нарастающих и уменьшающихся А3 напряжений.
На некотором расстоянии от забоя скорость деформации становит-
ся близкой к постоянной. Размер зоны нарастающих напряжений из-
меняется в широких пределах – от 0 до 20–30 м.
Очень важно то, что максимальные скорости смещений и до 40–80 % 
всех смещений проявляются в зоне, примыкающей к забою, – динамиче-
ского опорного давления, в основном в зоне нарастающих напряжений.
Если рассматривать деформации пород на конце и в центре вы-
работки в зависимости от напряжений в интерпретации балки, за-
щемленной в основании, то можно констатировать, что разрушение 
приконтурного слоя пород начинается в центральной, наиболее обна-
женной (деформированной) части балки.
В слоистых породах после деформации первого слоя происходит 
обнажение второго и деформации продолжаются до слоя с достаточ-
ной несущей способностью.
Таким образом, устанавливаются характерные формы равновесия, 
например, стрельчатые своды, вплоть до эллипсов с большой верти-
кальной осью, что наблюдается в трещиноватых породах. В данном 
случае явление гораздо сложнее, так как помимо того, что возникают 
зоны повышенных и пониженных напряжений, слои не обязательно 
имеют одинаковую мощность и представлены различными породами. 
Это усложняет описанную выше простую схему, пригодную лишь в 
качестве отправной теории для дальнейших рассуждений.