3 Основные направления и задачи геомеханики

Предлагаемый практикум направлен на ознакомление с методами расчета углов откосов и оценки состояния устойчивости откосов при принятых параметрах откосов и физико-механических свойствах пород с использованием теории предельного напряженного состояния, круглоцилиндрической поверхности скольжения, многоугольника сил; с простейшими методами расчета водопритоков к карьерам и дренажным системам.

Если оценивать геомеханику с точки зрения деления наук на фундамен­тальные и прикладные, то по отношению к механике вообще геомеханика яв­ляется прикладной наукой, а по отношению к горной науке – одной из фунда­ментальных.

Исходя из этого геомеханику можно определить как науку о прочности, устойчивости и деформируемости массивов горных пород, горнотехнических объектов и сооружений в поле природных и техногенных сил, т.е. сил, вы­званных влиянием деятельности человека, в частности горных работ.

Главной инженерной задачей геомеханики является научное обоснова­ние и разработка способов управления механическими процессами в пород­ных массивах для обеспечения безопасности горных работ и повышения про­изводительности и надежности технологических процессов.

При этом основные процессы, изучаемые геомеханикой, можно подраз­делить на три большие группы:

• формирование напряженного состояния массивов пород и его измене­ние в связи с проведением выработок;

• динамические процессы и явления в массивах горных пород;

• сдвижение горных пород, проявляющееся в самых разнообразных формах.

Здесь просматривается аналогия с общей структурой механики. В част­ности, первая группа по своей сути представляет собой статику, вторая - динамику и третья - кинематику.

Непосредственно с указанными процессами связаны самостоятельные научные направления, а также основные задачи, которые необходимо при этом решать в рамках геомеханики.

4

В частности, общим для всех групп процессов является научное направ­ление исследования свойств пород и массивов во всем разнообразии возможных силовых воздействий, и здесь можно выделить ряд научных и практиче­ских задач, важнейшими из которых являются разработка унифицированных методик и создание оборудования для определения свойств пород и массивов, создание классификаций и паспортизации пород по их свойствам.

Важнейшее значение имеет научное направление, связанное с методами определения параметров полей напряжений в массиве пород и оценкой их из­менений под влиянием различных факторов и условий.

Геомеханика – активно развивающаяся наука, область ее интересов по­стоянно расширяется, усложняются задачи, которые приходится решать мето­дами геомеханики.

ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ “ГЕОМЕХАНИКА”

1. Деформирование и разрушение горных пород

Основные понятия и определения. Общие сведения о классификациях горных пород, применяемых в геомеханике. Особенности минерального стро­ения. Внутреннее поле напряжений. Полные диаграммы деформирования и общие сведения о механизме деформирования и разрушения горных пород.

2. Деформационные и прочностные свойства

Свойства горной породы и образца горной породы. Модуль упругости. Модуль деформации при одноосном сжатии и растяжении. Модуль деформа­ции на запредельной стадии деформирования. Коэффициент Пуассона и ко­эффициент поперечных деформаций. Масштабный эффект при испытании по­родных образцов. Остаточная прочность. Склонность к хрупкому разруше­нию. Влияние температуры, газа воды.

3. Реологические свойства

Явления ползучести и релаксации напряжений. Статический и динами­ческий модули деформации. Длительная прочность. Особенности длительного деформирования за пределом прочности.

4. Деформирование и разрушение пород при объемном нагруже­нии

5

Особенности объемного нагружения горных пород в массиве и соответ­ствующие способы испытаний. Полные диаграммы деформирования при объ­емном нагружении. Общие сведения о теориях прочности горных пород. Пас­порт прочности горных пород.

5. Механические свойства грунтов

Общая классификация грунтов. Водонасыщенные грунты и плывуны. Вечномерзлые и искусственно замороженные грунты.

Природные и техногенные структурно-механические особенности мас­сива горных пород.

Общая классификация структурных элементов массива. Неоднородность и анизотропия, естественная и искусственная. Трещиноватость и ее количе­ственные характеристики. Слоистость.

6. Деформируемость и прочность массивов

Масштабный эффект в породном массиве. Механические свойства по­родного массива и образца породного массива. Деформируемость трещинова­тых массивов, подверженных технологическому воздействию. Прочность массивов по структурным ослаблениям, прочностная анизотропия. Коэффициент структурного ослабления массива. Прочность мас­сивов, подверженных технологическому воздействию.

7. Особенности механического состояния грунтовых массивов

Масштабный эффект в грунтовом массиве. Деформируемость и проч­ность грунтовых массивов. Влияние воды.

Начальное напряженное состояние грунтовых и породных массивов. Факторы, определяющие начальное напряженное состояние. Гравитационная

составляющая нормальных напряжений по горизонтальным площадкам. Ко­эффициент бокового распора в породных массивах различного строения. Тек­тоническая составляющая начальных напряжений. Особенности начального напряженного состояния грунтовых массивов.

Геомеханические процессы вокруг выработок капитальных и подземных сооружений.

6

Общие сведения о напряженно-деформированном состоянии и разруше­нии породных массивов вокруг выработок. Влияние формы поперечного сече­ния и глубины заложения, механических свойств и начального напряженного состояния породных массивов. Особенности механического состояния окру­жающих породных массивов вокруг протяженных капитальных выработок и подземных сооружений, вокруг камер и подземных емкостей.

8. Геомеханические процессы под влиянием горных работ

Общие сведения о напряженно-деформированном состоянии и разруше­нии породных массивов вокруг подготовительных и очистных выработок. Особенности механического состояния кровли камер и междукамерных цели­ков, кровли и почвы очистных выработок при разработке одиночных и свиты пластов системами с короткими и длинными забоями. Геомеханические про­цессы сдвижения породных массивов и земной поверхности под влиянием горных работ. Сдвижение породных массивов и устойчивость откосов под влиянием открытых горных работ. Динамические проявления геомеханических процессов в виде горных ударов и внезапных выбросов породы, угля и газа.

9. Моделирование геомеханических процессов

Физическое и математическое моделирование. Методы механики де­формируемого твердого тела. Напряженное и деформированное состояние. Фундаментальные уравнения. Физические уравнения и геомеханические мо­дели. Аналитические и численные методы моделирования.

9. Контроль механического состояния массива

Контроль напряженного состояния, деформированного состояния и раз­рушения породного массива. Контроль взаимодействия породного массива с подземными конструкциями.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОН­ТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

7

Контрольная работа выполняется каждым студентом самостоятельно в от­дельной тетради с оставлением полей для замечаний и сдается на проверку до начала экзаменационной сессии. Контрольная работа состоит из трех теоретических вопро­сов и двух задач. Вариант задания, по которому выполняется работа, определяется по списку студентов в журнале посещаемости.

Варианты заданий представлены в таблицах. Первый столбец каждой таблицы - номер варианта. На пересечении столбца с соответствующей строкой и цифрой ва­рианта ищутся данные для своего варианта.

СОДЕРЖАНИЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ

1. Какие вопросы изучаются в курсе «Геомеханика»?

2. Какое влияние оказывают геомеханические процессы в массивах горных пород на параметры технологии открытых горных работ?

3. Что является объектом данной дисциплины?

4. Назовите ведущих российских ученых, внесших значительный вклад в развитие геомеханики открытых горных работ?

5. Что называется массивом горных пород при открытой системе разработки?

6. Назовите основные структурно-текстурные особенности горных пород?

7. Сколько и какие уровни неоднородности характерны для массивов горных пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых?

8. Что называется системой трещин и какие она имеет параметры?

9. По какому признаку выделяют основные инженерно-геологические типы горных пород?

10. Почему различаются понятия «свойства горных пород» и «свойства массива горных пород»?

11. Как проявляется реакция горных пород на действие возрастающей нагрузки?

12. Что характеризуют деформационные свойства горных пород?

13. Что характеризуют деформационные свойства горных пород?

14. Что характеризуют прочностные свойства горных пород?

15. Что называется компрессией, для каких пород она характерна и как производятся испытания на компрессию?

16. Что называется консолидацией горных пород?

17. Что называется паспортом прочности горных пород?

18. 8

    Зависимость чего показывает график длительной прочности пород?

19. Назовите основное уравнение из теории прочности

Мора–Кулона?

20. Какие причины обусловливают напряжения в массиве горных пород?

21. Почему можно решать плоскую задачу объемного напряженного состояния при расчете устойчивости откосов?

22. Как изменяется напряженное состояние массива пород при проведении открытых горных выработок?

23. Что является мерой устойчивости откосов?

24. Как учитываются силы гидростатического взвешивания и гидродинамического давления при расчете устойчивости обводненных откосов?

25. Назовите важнейшие климатические факторы, влияющие на состояние массивов горных пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых?

26. Какие вы знаете виды поверхностей скольжения в откосах, какая поверхность называется потенциальной поверхностью скольжения и на какие части делится призма возможного обрушения?

27. Назовите отличительные признаки осыпей и обрушения, причины их возникновения?

28. Какие свойства массивов горных пород определяют многообразие видов оползней?

29. Назовите основную особенность плывунов?

30. Охарактеризуйте основные виды деформаций отвалов?

31. Назовите условия возникновения фильтрационного выпора в дне карьера?

32. Три этапа развития оползней?

33. Какие виды деформаций откосов относятся к фильтрационным?

34. Какие две группы факторов обуславливают геомеханические процессы в массивах горных пород при открытой разработке месторождений?