Введение. Начиная с самых первых шагов развития человечество вынуждено было добывать необходимые продукты и материалы из окружающей среды

ЛЕКЦИЯ 1

Начиная с самых первых шагов развития человечество вынуждено было добывать необходимые продукты и материалы из окружающей среды, в том числе и из недр Земли, поэтому горные промыслы являются древнейшими видами осознанной деятельности человека и имеют многовековую историю.

При этом по мере проникновения в подземное пространство человек сталкивался со все более возрастающими трудностями и опасностями, а также совершенно необъяснимыми явлениями, и это очень часто вызывало ужас у древних рудокопов. Но с приобретением опыта, зачастую ценой больших лишений и жертв, люди все глубже проникали в недра, добывали все большее количество полезных ископаемых, горное дело развивалось и в настоящее время превратилось в высокоразвитую отрасль мировой индустрии.

Необходимо заметить, что неблагоприятные условия труда в подземном пространстве сохраняются и до сих пор, и современным горнякам приходится сталкиваться с большими трудностями, неожиданными и опасными явлениями, о чем свидетельствуют сообщения о катастрофах и жертвах в шахтах и на рудниках.

Единственным путем преодоления опасной тенденции возрастания несчастных случаев при разработке месторождений полезных ископаемых является повышение уровня знаний о процессах и явлениях при производстве горных работ и разработка на этой основе правил и приемов, обеспечивающих эффективность и безопасность их проведения.

Именно эту цель преследует геомеханика, изучающая механические процессы в массиве горных пород как среде, в которой функционируют горные предприятия.

■ Предмет и сущность геомеханики

Прежде чем говорить о геомеханике, необходимо вспомнить самое общее определение наиболее всеобъемлющей науки о закономерностях окружающего нас мира — физики. Оно звучит так: физика науки, изучающая наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения.

С точки зрения изучаемых процессов или форм движения материи различают механическое движение, тепловые процессы, электромагнитные явления, гравитационные и т.д. Соответственно этому в физике выделяют классическую механику и механику сплошных сред, термодинамику, электродинамику, теорию тяготения, квантовую механику и квантовую теорию поля и др. Здесь в принципе уместно заметить, что все эти подразделения в существенной степени условны, и именно поэтому очень часто границы между ними весьма размыты, и в настоящее время выделяются многочисленные так называемые пограничные науки.

Одновременно с этим постоянно происходит дробление и выделение новых наук с точки зрения предмета исследования. Именно с этой точки зрения в 40—60-х годах XIX в. выделился комплекс наук под общим названием «геофизика», изучающих физические свойства Земли в целом и физические процессы, происходящие в ее твердых сферах, а также в жидкой и газовой оболочках. Затем из этого комплекса оформилась в самостоятельный раздел «Физика горных пород и процессов», которую в настоящий момент считают одной из фундаментальных частей горной науки, как базовой системы знаний современной технологии горного дела.

Физика горных пород и процессов занимается изучением физических свойств горных пород и породных массивов при их взаимодействии с естественными и искусственно создаваемыми физическими полями в ходе проведения горных работ, в частности при добыче полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений.

Нечто подобное можно наблюдать и для отдельных частей физики, в частности для механики, которая еще в конце XIXв. выделилась в самостоятельную науку со своим предметом исследования, специфическими методами и областями применения. Здесь в последние годы, также с точки зрения предмета исследований, сформировалась специальная область «геомеханика», изучающая в отличие от геофизики только механические процессы в земной коре, связанные с гравитацией, тектоникой, сейсмическими и другими природными явлениями, а также производственной деятельностью человека.

Очевидно, что геомеханика должна рассматриваться, вообще говоря, как часть общей механики подобно тому, как физика горных пород и процессов является частью общей физики или одной из физико-технических наук. Вместе с тем геомеханике наряду с традиционными подходами, принятыми для общей механики, свойственны специфические методы и области применения, святимые с особенностями предмета ее исследования, а именно горными породами и массивами.

Уместно отметить, что очень часто не наблюдается строгой последовательности во времени развития отдельных вопросов, входящих в различные дисциплины. Вообще процесс развития наук подчиняется главным образом запросам практики. Так и в геомеханике наиболее «старыми» являются вопросы сдвижения горных пород, большую историю имеет механика грунтов, долгое время, да еще и сейчас, развивающаяся обособлено. В противоположность этому относительно недавно получили развитие, например, вопросы напряженно-деформированного состояния массива пород вокруг горных выработок.

Как это следует из названия, геомеханика является одной из наук о Земле, и в этом отношении находится в одном ряду с другими науками о Земле, такими как география, геодезия, геология. Геомеханика имеет с ними тесные связи, особенно с геологией, а именно с одним из ее разделов — инженерной геологией.

Инженерная геология занимается изучением строения, свойств и динамики геологической среды, ее рационального использования и охраны в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека. Таким образом, по отношению к инженерной геологии геомеханика является более узкой наукой, поскольку ограничивается рассмотрением только механических процессов и не во всей геологической среде, а в первую очередь в массивах горных пород, т.е. той части общей геологической среды, которая находится в поле деятельности человека при разработке полезных ископаемых.

Вместе с тем в части исследования свойств пород и особенно вопросов напряженного и деформированного состояния массивов и его изменений, а также сдвижения пород под влиянием горных разработок, геомеханика намного глубже исследует процессы и явления.

Наряду с этим геомеханика имеет целый ряд задач, не свойственных инженерной геологии. К ним относятся вопросы оценки устойчивости выработок, целиков и других элементов систем разработки, исследование удароопасности и выбросоопасности пород, охраны сооружений от вредного влияния горных работ и др.

Геомеханика широко использует методы и результаты других фундаментальных наук, в первую очередь математики, в частности математического анализа, прикладной математики, математического моделирования и др.; при натурных исследованиях широко применяются достижения смежных разделов физики и химии.

■ Основные направления и задачи геомеханики

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 техногеннных 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 разнообразныx 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.

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.

Для первой группы процессов 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. Непосредственную связь этими вопросами имеют практические задачи оценки устойчивости пород в обнажениях, определения параметров предельных обнажений и обоснования вида мероприятий по обеспечению безопасных условий проведения горных работ или эксплуатации подземных сооружений. К числу подобных мероприятий можно отнести выбор вида и параметров крепи, размеров очистных камер и целиков, обоснование порядка отработки отдельных участков месторождений и др.

С динамическими процессами связаны такие грозные явления, как динамические проявления горного давления — горные удары, выбросы газа и пыли, техногенные землетрясения. Основными научными направлениями при этом являются разработки теоретических представлений о механизме подобных явлений, а главными практическими задачами — выбор и обоснование мероприятий по предотвращению их при проведении горных работ.

С процессами сдвижения пород при проведении горных работ связано научное направление разработки общей теории сдвижения горных пород, а также ряд практических задач по обоснованию мероприятий, предотвращающих или снижающих до безопасных пределов влияние горных работ на состояние массива пород и дневную поверхность, а также инженерные сооружения и другие объекты, определение параметров охранных целиков, параметров закладки, шага обрушения и т. д.

Перечисленные научные направления и практические задачи отнюдь не являются исчерпывающими.

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