книги / Основы механики горных пород
..pdfИ. А. ТУРЧ АНИН OB, М. А. И О Ф И С , Э. В. КАСПАРЬЯН
ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ГОРНЫХ ПОРОД
2-е издание, переработанное и дополненное
ЛЕНИНГРАД
«НЕДРА»
ЛЕНИНГРАДСШЕтвТДЕЛЕИИЕ
1989,
ББК 33.12 Т89
УДК 622.02:531+622.83
Рецензент д-р техн. наук, проф. H. С. Б у л ы ч е в
Т 89 Турчанинов И. А., Иофис М. А., Каспарьян Э. В.
Основы механики горных пород.— Л.: Недра, 1989.— 488 с.: ил.
ISBN 5—247—00485—5
Освещены предмет, метод и основные задачи механики горных по род. Описаны способы определения свойств горных пород на образцах и в массиве, а также напряженно-деформированного состояния массива вокруг горных выработок экспериментальными и аналитическими мето дами. Изложены основные результаты изучения напряженного состоя ния пород вокруг капитальных, подготовительных н очистных выра боток. Детально рассмотрены вопросы сдвижения горных пород под влиянием разработки полезных ископаемых, а также условия и при чины возникновения горных ударов и внезапных выбросов пород и газа на рудниках н шахтах. Описаны меры предотвращения и локализации горных ударов п внезапных выбросов. Второе издание (1-е нзд.— 1977) дополнено новыми материалами по устойчивости буровых скважин и подземных сооружений.
Для широкого круга инженерно-технических работников горноруд ных и угледобывающих предприятий, горного и гидротехнического стро ительства, работников научно-исследовательских и проектных институ тов.
Т |
2502010400—307 |
241—89 |
ББК 33.12 |
|
043(01)—89 |
||||
|
|
|
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ (ПРАКТИЧЕСКОЕ) ИЗДАНИЕ
Турчанинов Игорь Александрович, Иофис Моисей Абрамович, Каспарьян Эдуард Варужанович
ОСНОВЫ МЕХАНИКИ |
ГОРНЫХ ПОРОД |
|
Редактор' издательства |
Р. С. Г у р с к а я. Переплет художника В. Н. Н е ч а |
|
ева. Техн. редактор |
С. А. К о д а ш. |
Корректоры И. Б. Б о г д а н о в а , |
Е.А. С т е р л и н а ИБ № 6598
Сдано в набор 02.08.88.1 Подписано в печать 21.12.88. М-41383. Формат 60X90'/i6Бумага тип. № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Уел.
неч. л. 30,5. Уел. кр.-отт- 30,5. Уч.-изд. л. 32,36. Тираж 3600 экз. Заказ № 2023/743. Цена 2 руб.
Ордена «Знак Почета» .издательство «Недра».
Ленинградское отделение. 193171, Ленинград, С-171, ул. Фарфоровская, 18.
Ленинградская типография Ка 4 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» нм. Евгении Соколовой Союзполнграфпрома прн Го сударственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной тор говли. 191126, Ленинград, Д-126, Социалистическая ул., 14.
ISBN 5—247—-0Q48&— 5 |
(С) Издательство «Недра», 1977 |
|
© Издательство «Недра», 1989, |
|
с изменениями и дополнениями |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Специальный раздел горных наук— механика горных пород— интенсивно развивается в связи со все возрастающими запросами практики эксплуатации месторождений полезных ис копаемых и подземного строительства. Это объясняется рез ким ухудшением горно-геологических условии проведения работ, необходимостью разрабатывать месторождения на боль ших глубинах и под дном морей и океанов, в условиях повы шенных температур и перенапряженных массивов. Все сказан ное объясняет повышенный интерес к работам, обобщающим достижения механики горных пород и освещающим внутрен нюю логику развития и становления отдельных методов, ко торые находят применение в механике горных пород для ре шения частных, но крайне существенных вопросов. К подобным работам относится и предлагаемая читателям книга, одним из достоинств которой является систематическое изложение раз личных вопросов механики горных пород с позиций единого методологического подхода.
Первое издание книги вышло в 1977 г и было неплохо встречено научной общественностью и работниками горных предприятий. В 1979 г. книга была переведена на английский язык и издана в Соединенных Штатах Америки, с ней смогли познакомиться и наши зарубежные коллеги.
За прошедшие с момента первого издания годы механика горных пород как наука продолжала интенсивно развиваться и к настоящему времени достигнуты новые существенные ре зультаты как в области расчетных методов, так и в вопросах экспериментальных исследований в лабораторных и, что осо бенно важно, в натурных условиях.
Сказанное побудило авторов к подготовке второго издания, где наряду с новыми методическими разработками и результа тами учтены некоторые недфребвтки в погрешности; высказан ные специалистами в критическихзамечаниях и рецензиях.
Вместе с тем ряд вопросов под влиянием результатов послед них исследований и благодаря познанию более общих законо мерностей нуждается в существенной корректировке и изложе нии на современном уровне.
В наибольшей степени это относится к некоторым осново полагающим концепциям, которые традиционно применялись в механике горных пород. Примером может служить использо вание принципов гидромеханики, которые без должных огра ничений широко применяются в расчетах горного давления. В предлагаемом издании сделана попытка на новой, более ши рокой основе изложить основные вопросы механики горных по род, оставив без изменения общую структуру книги, и дина мику развития во времени отдельных методов.
Насколько удалась эта попытка, будет в конечном итоге су дить читатель, однако следует отметить, что поставленная за дача существенно осложнилась, вследствие того что безвре менно ушел из жизни один из авторов книги, талантливый ученый и организатор, член-корреспондент АН СССР Игорь Александрович Турчанинов.
В определенной степени подготовка второго, исправленного и дополненного издания книги является одновременно выпол нением намерений Игоря Александровича и памятью о его пло дотворной деятельности в области механики горных пород.
Академик В. В. Р ж е в с к и й
Непрерывный рост потребностей в минеральном сырье и топливе, необходимость строительства каналов и ороситель ных систем, тоннелей, залов и других подземных сооружений ведут к значительному увеличению объемов горных работ. Так, объем добычи полезных ископаемых в Советском Союзе удваи вается через каждые 8— 10 лет, при этом все больше вовлека ются в добычу месторождения со сложными горно-геологиче скими условиями. Отсюда усиливается роль горной науки, в том числе механики горных пород, в повышении эффективности, безопасности и темпов ведения горных работ.
Для осуществления разнообразных технологических процес сов в недрах, будь то добыча полезных ископаемых, строитель ство подземных объектов различного назначения, возведение фундаментов плотин или бурение глубоких скважин, требуется знать и предвидеть изменения геомеханического состояния ок ружающих массивов пород, чтобы в одних случаях гарантиро вать устойчивость пород вокруг выработок, устойчивость соот ветствующих участков массива, а в других вызвать обрушение заданных участков массива. В местах нахождения людей тре буется обеспечить их безопасность. Важно также обеспечить сохранность объектов, сооружений и механизмов, находящихся в зоне влияния технологических процессов в недрах.
Все эти вопросы относятся к механике горных пород — науке о прочности, устойчивости и деформируемости горных пород, горнотехнических объектов и сооружений в поле природных и вызванных влиянием горных работ сил горного давления.
В последние десятилетия одновременно с увеличением влия ния механики горных пород заметно возросла сложность вы двигаемых перед нею задач. Это обусловлено многими причи нами: быстрым ростом глубины горных разработок как под земным, так и открытым способом; возрастанием объемов извлекаемой из недр горной массы и мощности рудников, шахт
и карьеров; применением новых систем и способов разработки; увеличением мощности взрывов в системах с массовым обру шением и возникающей в связи с этим необходимостью учета влияния динамических нагрузок на состояние массива пород; увеличением плотности застройки горнопромышленных райо нов, в том числе на площадях, подверженных влиянию горных работ; строительством сооружений, весьма сложных и чувстви тельных к подработке.
Появился ряд новых задач, связанных с расширяющимся строительством и особыми условиями эксплуатации таких дол говременных объектов, как подземные хранилища нефти, газа и других видов сырья и материалов, тоннели и подземные ка меры, вестибюли метрополитенов, подземные и грунтовые ком плексы гидроэлектростанций, глубокие геологические и экс плуатационные нефтяные и газовые скважины и др. Сущест венно повысился интерес к механике горных пород со стороны смежных дисциплин: геологии, геофизики, сейсмологии, геотек тоники, поскольку методами механики горных пород получают непосредственные данные о напряженном состоянии верхней части земной коры, механических свойствах и структурной не однородности массивов пород, расширяют возможности моде лирования механических процессов применительно к этим дис циплинам с использованием способов и приемов, получивших развитие в механике горных пород.
В предвоенные и особенно в послевоенные годы в СССР и за рубежом опубликовано значительное число монографиче ских работ, посвященных различным разделам механики гор ных пород, а в последние годы издано несколько книг, авторы которых стремились систематизированно изложить основы дан ной дисциплины. Среди них работы В. Д. Слесарева [133], К- В. Руппенейта и Ю. М. Либермана [127], В. И. Борщ-Ком- понийца [21], И. В. Баклашова и Б. А. Картозия [10], Ж. Тало-
бра [182], Э. Айзаксона [174], |
Л. Мюллера |
[179], Л. Оберта и |
||||
В. Дюваля [180]. |
|
|
|
|
|
|
Многие труды, посвященные отдельным проблемам и разде |
||||||
лам |
механики горных пород, |
с большой |
детальностью |
осве |
||
щают |
сравнительно |
узкие специальные вопросы, |
но |
вместе |
||
с тем |
не охватывают |
наиболее |
важные ее |
стороны, |
и притом |
не всегда рассчитаны на широкий инженерный круг читателей [43, 84, 123, 156].
Между тем необходимость создания книги по механике гор ных пород в целом с систематизированным изложением основ ных проблем давно уже назрела. Такая работа была необхо дима в первую очередь для горных инженеров различных специализаций: эксплуатационников, маркшейдеров, шахто строителей и др. Она требовалась также гидростроителям, спе циалистам в области инженерной геологии, геотектоники, сей
смологии и других смежных дисциплин, которым по роду их дея тельности необходимо знакомство с основами механики горных пород в целом, ее предметом и методом, но для которых не столь существенны детали, не требуется подробное освещение более узких вопросов. Учитывая это, авторы поставили перед собой задачу написания книги, в которой освещались бы на современном уровне все основные разделы механики горных пород.
Книга была издана в 1977 г. и вызвала определенный ин
терес научной общественности в |
нашей стране и за рубежом. |
В 1979 г. книга была переведена |
на английский язык и издана |
в США. |
|
С момента издания книги прошло свыше 10 лет. За это время механика горных пород бурно развивалась, во многих ее разделах получены существенно новые результаты, разра ботаны и нашли широкое применение новые методики прове дения исследований.
Все это побудило авторов приступить к подготовке второго издания, в котором были бы учтены происшедшие изменения. Однако при этом авторы стремились сохранить общую струк туру книги, а также по возможности отражать логику развития отдельных методов и последовательность изменения суждений
омеханизме различных природных явлений и процессов.
Впредлагаемой работе кратко рассмотрено в историческом аспекте развитие и становление механики горных пород как фундаментального раздела горной науки, всегда имевшего су щественное значение для практики, освещен вклад русских и советских ученых в развитие данной дисциплины.
Изложены основные представления о породном массиве как объекте исследования механики горных пород, освещены ме тоды определения свойств пород в образцах и в массиве, изу чения особенностей строения массивов с целью учета струк турных неоднородностей и ослаблений при анализе устойчиво
сти и прочности. Описаны методы исследований, применяемые в механике горных пород для решения различных задач, изло жены принципы комплексного подхода к решению задач и учета главнейших влияющих факторов.
Достаточно строго и вместе с тем доступно для читателей без специальной математической подготовки освещены совре менные представления о напряженном состоянии массивов по род как в условиях их естественного залегания, так и после проведения горных выработок. При этом принято во внимание возможное действие как гравитационного, так и тектонического силовых полей. Приведены характерные иллюстрации и при меры использования данных о напряжениях в различных ча стях массива пород для целей управления горным давлением н рационального расположения выработок при проведении гор
ных работ. Изложены методы расчета размеров устойчивых це ликов и обнажений.
Рассмотрены механизм и общие закономерности сдвижения горных пород под влиянием разработки, при проведении как подземных, так и открытых горных работ. Описаны методы ох раны сооружений, основные способы построения охранных це ликов и способы расчета деформаций горных пород и земной поверхности.
Последний раздел книги посвящен динамическим явлениям в массивах пород (стрелянию, горным ударам, внезапным вы бросам пород, угля и газа), а также рассмотрению современ ных воззрений на механизм этих явлений, изложению основных способов их прогноза и предотвращения или локализации.
Главы 1—3, 5—8, за исключением некоторых дополнений, оставлены такими, какими они были написаны И. А. Турчани новым для первого издания книги. Главы 4, 9— 11, а также § 16, 17 гл. 3 и § 30 гл. 5 написаны Э. В. Каспарьяном. Главы 12— 17 написаны М. А. Иофисом.
Существенно переработаны и дополнены М. А. Иофисом главы 18—20, подготовленные для первого издания И. А. Тур чаниновым. Предисловие и заключение написаны совместно
М.А. Иофисом и Э. В. Каспарьяном.
Авторы выражают благодарность Г. А. Турчаниновой за
предоставленные материалы чл.-кор. АН СССР И. А. Турчани нова, а также искреннюю признательность сотрудникам Гор ного института Кольского филиала АН СССР и Института проблем комплексного освоения недр АН СССР, инженернотехническим работникам горнорудных предприятий и шахт, способствовавшим проведению исследований и написанию дан ной книги.
Авторы также считают своим долгом выразить большую благодарность д-ру техн. наук, проф. H. С. Булычеву за внима тельное рецензирование рукописи и сделанные замечания. Устранение их способствовало более точному изложению мате риала и в целом существенно улучшило книгу.
р а з д е л СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ I СОВРЕМЕННОЙ МЕХАНИКИ
ГОРНЫХ ПОРОД
Глава 1. ПРЕДМЕТ И МЕТОД
МЕХАНИКИ ГОРНЫХ ПОРОД
§ 1. МЕХАНИКА ГОРНЫХ ПОРОД КАК РАЗДЕЛ ГОРНОЙ НАУКИ
Всякая область современной техники и технологии дол жна иметь соответствующие научные, теоретические основания. Чем глубже развиты теоретические основы данной области, тем выше, при прочих равных условиях, возможности дальнейшего успешного и оптимального прогресса в этой технической от расли.
Теоретической основой горного дела является горная наука. Согласно определению акад. Н. В. Мельникова, «под горной наукой понимается совокупность знаний: а) о природных усло виях залегания месторождений полезных ископаемых и физи ческих явлениях, происходящих в толще пород в связи с про ведением выработок-, * б) о технологических способах добыва ния и обогащения полезных ископаемых; в) об организации производства, обеспечивающей безопасную и экономичную раз работку месторождений. Предметом горной науки считаются процессы разработки полезных ископаемых в их развитии и взаимосвязи с сопутствующими им природными явлениями, т. е. с условиями фактического осуществления этих процессов».
Рассматривая горную науку в целом, следует выделить в качестве одной из ее фундаментальных частей физику горных пород и процессов, занимающуюся изучением физических свойств горных пород и породных массивов при их взаимодей ствии с естественными и искусственно создаваемыми физиче скими полями в процессах добычи полезных ископаемых и строительства подземных сооружений.
Физика горных пород оформилась в самостоятельный раз дел горной науки в 60-х годах и впервые стала рассматривать горные породы одновременно как объекты геологических, фи зических и горнотехнологических отраслей знаний. Таким обра зом, по своим методам физика горных пород близка к физике
* Курсив наш.— Я. Т.
твердого тела, с точки зрения объектов |
исследований — к |
гео |
логическим наукам, а с позиций задач, |
решаемых ею,— к |
гор |
ной технологии. |
|
|
Механика горных пород входит в физику горных пород и процессов в качестве ее части. Рассматривая соотношение фи зики горных пород и процессов и механики горных пород, про ведем некоторую параллель между этими разделами науки и между физикой и механикой вообще. Становление физики как науки началось именно с формирования и развития механики, выделившейся в XIX в. в самостоятельную науку со своими специфическими методами и областями применения.
Подобную же историческую последовательность развития имеет и физика горных пород и процессов, формирование ко торой начинается именно с механики горных пород. В то же время механике горных пород в отличие от механики вообще свойственны специфические методы и области применения, свя занные с особенностями горных пород как объекта изучения.
Очевидно, механика горных пород, методы и область при менения которой составляют часть таковых в механике вообще (но которая в то же время имеет и определенную специфику), должна рассматриваться в известном смысле как часть меха ники, подобно тому как физику горных пород и процессов сле дует рассматривать как часть физики, одну из физико-техни ческих наук.
Исходя из представления, что деление всех отраслей науки па фундаментальные и прикладные является относительным, механику горных пород следует рассматривать как прикладной раздел механики вообще. В то же время она является одним из фундаментальных разделов горной науки.
В настоящее время механика горных пород не единственная наука, которая входит как составная часть в физику горных пород и процессов. В последние годы, в частности, сформиро валась еще одна самостоятельная дисциплина — горнотехноло гическое породоведение, специально изучающее и количест венно оценивающее свойства горных пород как объектов раз работки [12].
Вместе с тем наблюдается также выделение отдельных на учных направлений и из механики горных пород. В этой части следует отметить «механику подземных сооружений» — науку о принципах и методах расчета подземных сооружений на прочность, жесткость и устойчивость при статических и дина мических воздействиях [28].
По-видимому, отмеченный процесс выделения отдельных на учных направлений в самостоятельные разделы будет продол жаться и в дальнейшем.
Современное соотношение наук и положение в их системе механики горных пород показано на рис. 1.