МЕХА́НИКА ГО́РНЫХ ПОРО́Д

МЕХА́НИКА ГО́РНЫХ ПОРО́Д, гор­ная нау­ка, изу­чаю­щая де­фор­ма­ции гор­ных по­род, их проч­ность и ус­той­чи­вость, дви­же­ния в них жид­ко­стей и га­зов, а так­же си­лы (при­род­но­го и тех­но­ген­но­го про­ис­хо­ж­де­ния), вы­зы­ваю­щие эти де­фор­ма­ции и дви­же­ния. Осн. за­да­ча­ми М. г. п. яв­ля­ют­ся изу­че­ние гео­ме­ха­нич. про­цес­сов, т. е. про­цес­сов, про­ис­хо­дя­щих в гор­ном мас­си­ве и свя­зан­ных гл. обр. с про­ве­де­ни­ем в нём гор­ных ра­бот, соз­да­ние ме­то­дов оцен­ки, про­гно­за и кон­тро­ля со­стоя­ния тол­щи по­род и по­верх­но­сти Зем­ли в разл. пе­рио­ды пре­об­ра­зо­ва­ния недр, а так­же управ­ле­ние гор­ным дав­ле­ни­ем, ус­той­чи­во­стью под­зем­ных и от­кры­тых гор­ных вы­ра­бо­ток, сдви­же­ни­ем по­род­ных толщ и зем­ной по­верх­но­сти под влия­ни­ем гор­ных ра­бот и пре­дот­вра­ще­ние ди­на­мич. про­яв­ле­ний гор­но­го дав­ле­ния (гор­ных уда­ров, вне­зап­ных вы­бро­сов и др.).

Для ре­ше­ния за­дач М. г. п. ис­поль­зу­ют­ся на­тур­ные на­блю­де­ния, ла­бо­ра­тор­ные ис­сле­до­ва­ния и ана­ли­тич. ме­то­ды. По­сред­ст­вом ин­ст­ру­мен­таль­ных из­ме­ре­ний оп­ре­де­ля­ют­ся осн. па­ра­мет­ры изу­чае­мых про­цес­сов и их из­ме­не­ния в за­ви­си­мо­сти от дей­ст­вую­щих фак­то­ров. Дан­ные, по­лу­чае­мые из на­тур­ных ис­сле­до­ва­ний, по­зво­ля­ют ти­пи­зи­ро­вать изу­чае­мые яв­ле­ния и про­цес­сы, уяс­нять их об­щий ме­ха­низм и фи­зич. сущ­ность и про­во­дить даль­ней­шие тео­ре­тич. обоб­ще­ния. Ла­бо­ра­тор­ные ис­сле­до­ва­ния, вклю­чая мо­де­ли­ро­ва­ние, по­зво­ля­ют вы­явить и оце­нить в ис­сле­дуе­мых про­цес­сах роль разл. дей­ст­вую­щих фак­то­ров и по­лу­чить зна­че­ния не­об­хо­ди­мых па­ра­мет­ров да­же при не­воз­мож­но­сти стро­го­го ре­ше­ния за­дач ана­ли­тич. ме­то­да­ми. Ши­ро­кое ис­поль­зо­ва­ние и ана­лиз на­тур­ных из­ме­ре­ний с од­но­вре­мен­ным при­вле­че­ни­ем ме­то­дов мо­де­ли­ро­ва­ния и ана­ли­тич. ис­сле­до­ва­ний на ба­зе тео­ре­тич. по­ло­же­ний гео­ло­гии, клас­си­че­ской и при­клад­ной ме­ха­ни­ки, др. ма­те­ма­тич. и фи­зич. на­ук со­став­ля­ют ос­но­ву об­щей ме­то­до­ло­гии ме­ха­ни­ки гор­ных по­род.

Изу­че­ние гео­ме­ха­нич. про­цес­сов осу­ще­ст­в­ля­ет­ся на всех ста­ди­ях ос­вое­ния недр (про­ек­ти­ро­ва­ние, строи­тель­ст­во, экс­плуа­та­ция, ре­кон­ст­рук­ция и ли­к­ви­да­ция) и яв­ля­ет­ся ба­зой для т. н. гео­меха­нич. обес­пе­че­ния гор­ных объ­ек­тов. Под гео­ме­ха­нич. обес­пе­че­ни­ем по­ни­ма­ет­ся обос­но­ва­ние и вы­бор сис­тем и по­ряд­ка ве­де­ния гор­ных ра­бот, вза­им­но­го по­ло­же­ния вы­ра­бо­ток, спо­со­бов управ­ле­ния гор­ным дав­ле­ни­ем, ско­ро­сти по­дви­га­ния за­бо­ев и др. па­ра­мет­ров тех­но­ло­гич. про­цес­сов, при ко­то­рых де­фор­ма­ции в тол­ще гор­ных по­род и на зем­ной по­верх­но­сти бу­дут раз­ви­вать­ся в за­дан­ных на­прав­ле­ни­ях и на­хо­дить­ся в ус­та­нов­лен­ных про­стран­ст­вен­но-вре­менны́х пре­де­лах.

Оцен­ка гео­ме­ха­нич. со­стоя­ния по­род­но­го мас­си­ва до на­ча­ла гор­ных ра­бот осу­ще­ст­в­ля­ет­ся на ос­но­ва­нии гео­ло­гич. дан­ных и инж. изы­ска­ний и уточ­ня­ет­ся по ме­ре про­ве­де­ния гор­ных вы­ра­бо­ток. Про­гноз из­ме­не­ния гео­ме­ха­нич. со­стоя­ния по­род­но­го мас­си­ва под влия­ни­ем гор­ных ра­бот про­из­во­дит­ся по ус­та­нов­лен­ным за­ко­но­мер­но­стям сдви­же­ния гор­ных по­род и раз­ра­бо­тан­ным ме­то­дам рас­чё­та де­фор­ма­ций. С учё­том сте­пе­ни обос­но­ван­но­сти рас­чёт­ных фор­мул и спо­со­бам их по­лу­че­ния ме­то­ды рас­чё­та под­раз­де­ля­ют­ся на тео­ре­тич., эм­пи­рич. и по­лу­эм­пи­ри­че­ские. Тео­ре­тич. ме­то­ды ба­зи­ру­ют­ся пре­им. на урав­не­ни­ях, ис­поль­зуе­мых в ме­ха­ни­ке сплош­ной сре­ды, при этом мас­сив гор­ных по­род при­ни­ма­ет­ся как уп­ру­гая, пла­стич­ная, вяз­кая, сы­пу­чая или др. идеа­ли­зи­ро­ван­ная сре­да. В прак­ти­ке гор­но­го де­ла ис­поль­зу­ют­ся в осн. эм­пи­рич. и по­лу­эм­пи­рич. ме­то­ды рас­чё­та. Эм­пи­рич. ме­то­ды ба­зи­ру­ют­ся на за­ви­си­мо­стях, по­лу­чен­ных не­по­сред­ст­вен­но из ре­зуль­та­тов ин­ст­ру­мен­таль­ных на­блю­де­ний в на­тур­ных ус­ло­ви­ях, по­лу­эм­пи­ри­че­ские – на за­ви­си­мо­стях, ус­та­нов­лен­ных на ос­но­ва­нии обоб­ще­ний, тео­ре­тич. со­об­ра­же­ний, фи­зич. и ма­те­ма­тич. ана­ло­гий. Чис­лен­ные зна­че­ния ко­эф­фи­ци­ен­тов в рас­чёт­ных фор­му­лах по­лу­эм­пи­рич. ме­то­дов оп­ре­де­ля­ют­ся по дан­ным на­тур­ных на­блю­де­ний. Кон­троль за из­ме­не­ни­ем гео­ме­ха­нич. со­стоя­ния по­род­но­го мас­си­ва в про­цес­се ос­вое­ния недр про­из­во­дит­ся пу­тём про­ве­де­ния ин­ст­ру­мен­таль­ных на­блю­де­ний за де­фор­ма­ция­ми гор­ных по­род и зем­ной по­верх­но­сти.

Управ­ле­ние де­фор­ма­ци­он­ны­ми про­цес­са­ми со­сто­ит в при­ве­де­нии к вза­им­но­му со­от­вет­ст­вию па­ра­мет­ров и по­ряд­ка ве­де­ния гор­ных ра­бот с гео­ме­ха­нич. со­стоя­ни­ем мас­си­ва. Оно мо­жет осу­ще­ст­в­лять­ся пу­тём це­ле­на­прав­лен­но­го из­ме­не­ния фак­то­ров, ока­зы­ваю­щих влия­ние на раз­ви­тие де­фор­ма­ци­он­ных про­цес­сов, в т. ч. тех­но­ло­гич. сред­ст­ва­ми. При рас­чё­тах ис­поль­зу­ют­ся те же ме­то­ды, что и при про­гно­зе, толь­ко про­из­во­дят­ся они в об­рат­ном по­ряд­ке, т. е. де­фор­ма­ции счи­та­ют­ся за­дан­ны­ми, а па­ра­мет­ры и по­ря­док ве­де­ния гор­ных ра­бот – ис­ко­мы­ми ве­ли­чи­на­ми.

М. г. п. сфор­ми­ро­ва­лась как на­уч. дис­ци­п­ли­на в 19 в. в свя­зи с изу­че­ни­ем ус­ло­вий об­ру­ше­ния и осе­да­ния зем­ной по­верх­но­сти над гор­ны­ми вы­ра­бот­ка­ми. В 1874 нем. спе­циа­лист Ру­си­ха об­ра­тил вни­ма­ние на го­ри­зон­таль­ные си­лы, дей­ст­вую­щие на стен­ки гор­ных вы­ра­бо­ток. В пе­ри­од 1878–1912 А. Гейм вы­ска­зал свои пред­став­ле­ния о на­пря­же­ни­ях в гор­ных мас­си­вах. В 1900 в США на ос­но­ве ла­бо­ра­тор­ных экс­пе­ри­мен­тов бы­ла пред­ло­же­на фор­му­ла для рас­чё­та це­ли­ков. В 1909 М. М. Про­то­дья­ко­нов опуб­ли­ко­вал ра­бо­ту «Дав­ле­ние гор­ных по­род на руд­нич­ную крепь». Эта ра­бо­та и его ги­по­те­за сво­да дав­ле­ния ста­ли на­ча­лом раз­ви­тия тео­рии гор­но­го дав­ле­ния. В 1925–1926 А. Н. Дин­ник пред­ло­жил ис­поль­зо­вать тео­рию уп­ру­го­сти для опи­са­ния на­пря­жён­но-де­фор­ми­ро­ван­но­го со­стоя­ния гор­ных мас­си­вов и ввёл по­ня­тие ис­ход­но­го бо­ко­во­го дав­ле­ния. В 1930-е гг. идея при­ме­не­ния ме­то­дов тео­рии уп­ру­го­сти для ре­ше­ния за­дач М. г. п. по­лу­чи­ла раз­ви­тие в тру­дах Г. Н. Са­ви­на, А. Б. Мор­га­ев­ско­го и чил. гео­ло­га Р. Фен­не­ра, ко­то­рый об­ра­тил так­же вни­ма­ние на не­об­хо­ди­мость учё­та пла­стич­но­сти, не­од­но­род­но­сти и слои­сто­сти гор­ных по­род. В это же вре­мя Д. В. Фил­линс экс­пе­римен­таль­но по­ка­зал, что гор­ные по­ро­ды в за­ви­си­мо­сти от ус­ло­вий на­гру­же­ния мо­гут про­яв­лять свой­ст­ва пол­зу­че­сти, ре­лак­са­ции на­пря­же­ний, пла­стич­но­сти; Д. С. Рос­тов­цев вы­дви­нул ги­по­те­зу гор­но­го дав­ле­ния в очи­ст­ных вы­ра­бот­ках, по­ло­жив­шую ос­но­ву управ­ле­ния кров­лей в ла­вах. В 1935 Д. Д. Го­ло­ва­чё­вым был раз­ра­бо­тан ме­тод из­ме­ре­ния на­пря­же­ний ме­то­дом раз­груз­ки. В 1940-е гг. Л. Д. Ше­вя­ков соз­дал ме­тод рас­чё­та це­ли­ков при ка­мер­но-стол­бо­вой сис­те­ме раз­ра­бот­ки (ме­тод под­твер­ждён Г. Н. Куз­не­цо­вым и М. А. Сло­бо­до­вым), С. Г. Авер­шин пред­ло­жил спо­соб рас­чё­та сдви­же­ния зем­ной по­верх­но­сти, В. Д. Сле­са­рев пред­ло­жил фор­му­лы для рас­чё­та пре­дель­ных про­лё­тов кров­ли, П. М. Цим­ба­ре­вич вы­дви­нул ги­по­те­зу сдви­га призм об­ру­ше­ния. В 1948 на­ча­ты ис­сле­до­ва­ния гор­но­го дав­ле­ния на мо­де­лях из эк­ви­ва­лент­ных ма­те­риа­лов, осн. по­ло­же­ния ко­то­ро­го бы­ли раз­ра­бо­та­ны Куз­не­цо­вым. В 1947–51 бельг. учё­ный А. Ла­бас сфор­му­ли­ро­вал ги­по­те­зу «пре­дель­но­го рас­трес­ки­ва­ния», со­глас­но ко­то­рой кров­ля очи­ст­ной вы­ра­бот­ки при пе­ре­хо­де из зо­ны опор­но­го дав­ле­ния в зо­ну раз­груз­ки под­вер­га­ет­ся ин­тен­сив­но­му рас­трес­ки­ва­нию, а голл. учё­ный Ф. К. Итер­сон – ги­по­те­зу пла­стич. вы­дав­ли­ва­ния по­род из зо­ны опор­но­го дав­ле­ния. К это­му вре­ме­ни от­но­сит­ся ра­бо­та В. В. Со­ко­лов­ско­го «Плос­кое пре­дель­ное рав­но­ве­сие гор­ных по­род», ис­поль­зуя ко­то­рую Г. Л. Фи­сен­ко в 1950–70-х гг. пред­ло­жил ряд рас­чёт­ных ме­то­дов, по­лу­чив­ших ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние при от­кры­той раз­ра­бот­ке ме­сто­ро­ж­де­ний.

Со 2-й пол. 20 в. на­чи­на­ет­ся уг­луб­лён­ное изу­че­ние при­ро­ды и ме­ха­низ­ма яв­ле­ний, по­ро­ж­дае­мых гор­ны­ми ра­бо­та­ми. Раз­ви­тию но­вых на­прав­ле­ний спо­соб­ство­ва­ли пуб­ли­ка­ции К. В. Руп­пе­ней­та и Ю. М. Ли­бер­ма­на (1960), Ж. Та­лоб­ра (1957), В. И. Бор­ща-Ком­по­ний­ца (1968), Ч. Дже­ге­ра (1972), И. А. Тур­ча­ни­но­ва (1977), И. М. Пе­ту­хо­ва (1983) и др. В 1999 кол­лек­ти­вом учё­ных под ру­ко­вод­ством Ин-та про­блем ком­плекс­но­го ос­вое­ния недр РАН был под­го­тов­лен фун­дам. труд «Раз­ра­бот­ка и вне­дре­ние тех­но­ло­ги­че­ских ме­то­дов управ­ле­ния гео­ме­ха­ни­че­ски­ми про­цес­са­ми при ком­плекс­ном ос­вое­нии недр».