Геомеханика: Методические указания и задания к контрольной работе

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ “МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ”

кафедра горного дела

ГЕОМЕХАНИКА Методические указания и задания к контрольной работе для студентов заочного обучения специальности 130404 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Мурманск 2006

2 УДК 622.02 ББК 33.12 Г 27

Составитель – Эдуард Варужанович Каспарьян, д-р техн. наук, ведущий сотрудник Горного института КНЦ РАН, профессор кафедры горного дела

Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой горного дела 06.10.2003 г., протокол № 2

Рецензент – В.В. Рыбин, канд. техн. наук, доцент кафедры горного дела

Редактор Е.В. Попова

© Мурманский государственный технический университет, 2006

3

ОГЛАВЛЕНИЕ Общие организационно-методические указания……………………..4 Примерный тематический план………………………………………..4 Содержание программы и методические указания к изучению дисциплины………………………………………………6 Контрольная работа…………………………………………………….11 Вопросы для самопроверки…………………………………………....19 Рекомендуемая литература………………………………………….....31 Приложение ……………………………………………………………32

4

ОБЩИЕ ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Цель дисциплины – сформировать у студентов знания об основных закономерностях развития геомеханических процессов в массивах горных пород. Задачи дисциплины – научить студентов экспериментально определять механические свойства горных пород, моделировать и прогнозировать геомеханические процессы в массивах горных пород, оценивать состояние горных выработок и других элементов систем разработки месторождений полезных ископаемых. В результате изучения курса студенты должны приобрести знания о геомеханических процессах, развивающихся в массивах горных пород, получить представления о методах определения параметров элементов систем разработки, обеспечивающих безопасные условия работ, а также о методах контроля состояния пород при разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом. Приобретенные знания должны использоваться при изучении других специальных дисциплин, а также при курсовом и дипломном проектировании. ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

№ п/п 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Наименование темы

Лекции

ЧАСТЬ 1. ОСНОВЫ ГЕОМЕХАНИКИ Основные понятия геомеханики 1 Структурные особенности массивов горных пород Основные свойства горных пород Естественное поле напряжений массива гор2 ных пород Общий методологический подход и методы исследования геомеханических явлений Методы определения свойств горных пород 2 Методы исследования напряженного состояния массива горных пород и его изменений во времени

ПЗ

ЛР

СР

-

-

28

-

-

18 -

-

-

-

4

1

22

1

-

-

5 8.

Методы исследования состояния массива пород вокруг выработок и взаимодействия по12 род с крепью 9. Общие подходы и методы натурных измерений при геомеханическом мониторинге состояния массива горных пород и подземных сооружений 10. Аналитические методы исследования. Мате12 2 матические модели массива горных пород 11. Аналитические методы исследования. Мате1 15 матические модели объектов геомеханики 12. Приближенные методы вычисления параметров напряженно-деформированного состоя1 32 ния горных пород вокруг системы выработок ЧАСТЬ 2. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ГЕОМЕХАНИКИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 13. Проявления горного давления в капитальных и подготовительных выработках 1 14. Проявления горного давления в очистных выработках 15. Устойчивость целиков и обнажений горных пород 16. Динамические проявления горного давления в 18 массивах пород. Горные удары 1 17. Газодинамические проявления горного давления в массивах пород. Внезапные выбросы 15 пород и газа 18. Прогноз и предупреждение опасных динамических проявлений горного давления 19. Сдвижение горных пород при подземной разработке 1 20. Методы охраны объектов и сооружений в зоне влияния горных работ 21. Сдвижение горных пород при открытой разработке месторождения 10 6 2 12 Всего: Итого: 32

6

СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ ЧАСТЬ 1. ОСНОВЫ ГЕОМЕХАНИКИ Тема 1. Основные понятия геомеханики Предмет и сущность геомеханики. Основные задачи. Объект исследования и общая методология исследований. Основы напряженнодеформированного состояния в точке сплошной среды. Основы общей теории поля напряжений и деформаций в сплошной среде. Использование моделей дискретных сред. Исторический очерк развития геомеханики. Тема 2. Структурные особенности массивов горных пород Общие сведения о строении Земли, верхней мантии и земной коры. Состав литосферы, общая систематика горных пород. Петрографические особенности горных пород. Тектонические структуры земной коры и верхней мантии. Виды и классификация структурных неоднородностей массивов горных пород. Иерархически-блочная модель массива горных пород. Тема 3. Основные свойства горных пород Классификация основных свойств горных пород, используемых в геомеханике. Плотностные, механические и горно-технологические свойства. Тема 4. Естественное поле напряжений массива горных пород Напряженно-деформированное состояние верхней части земной коры. Гравитационная составляющая полного тензора напряжений массива пород. Тектоническая составляющая полного тензора напряжений массива пород.

7

Тема 5. Общий методологический подход и методы исследования геомеханических явлений Этапы построения геомеханических моделей. Методы получения информации для исследования геомеханических явлений. Тема 6. Методы определения свойств горных пород Определение свойств горных пород с учетом структурных неоднородностей высших порядков: плотностных, деформационных, прочностных, запредельных характеристик, характеристик при динамических нагрузках, реологических параметров, характеристик пород в условиях объемного напряженного состояния. Определение свойств горных пород с учетом структурных неоднородностей низших порядков: плотностных, деформационных, прочностных, а также геометрических параметров структурных неоднородностей. Классификации горных пород. Тема 7. Методы исследования напряженного состояния массива горных пород и его изменений во времени Методы измерения статических напряжений. Методы измерения динамических напряжений. Методы диагностики вида и характера напряженного состояния массива горных пород. Основные положения методики экспериментального определения полного тензора начальных напряжений массива. Тема 8. Методы исследования состояния массива пород вокруг выработок и взаимодействия пород с крепью Экспериментальное определение параметров зоны неупругих деформаций вокруг выработок. Методы изучения взаимодействия пород с крепью.

8

Тема 9. Общие подходы и методы натурных измерений при геомеханическом мониторинге состояния массива горных пород и подземных сооружений Сущность и назначение работ по организации мониторинга состояния внешней среды при разработке месторождений полезных ископаемых и подземном строительстве. Пример организации геомеханического мониторинга для подземных сооружений с ядерными технологиями. Системы геомеханического контроля состояния массива горных пород. Тема 10. Аналитические методы исследования. Математические модели массива горных пород Модели сплошной среды – упругая, пластическая, вязкоупругая, упругопластическая, вязкоупругопластическая. Модели дискретных сред: блочная и иерархически-блочная модели. Тема 11. Аналитические методы исследования. Математические модели объектов геомеханики Определение напряженно-деформированного состояния пород вокруг одиночной горной выработки. Распределение напряжений вокруг одиночных выработок при различных формах поперечного сечения. Определение параметров зон хрупкого разрушения пород вокруг выработок. Напряженное состояние пород в условиях взаимного влияния выработок. Тема 12. Приближенные методы вычисления параметров напряженнодеформированного состояния горных пород вокруг системы выработок Численные методы. Метод конечных разностей. Метод конечных элементов.

9

ЧАСТЬ 2. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ГЕОМЕХАНИКИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ РУДНЫХ И НЕРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Тема 13. Проявления горного давления в капитальных и подготовительных выработках Типы проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках. Задачи управления горным давлением и основные принципы выбора крепи горных выработок. Тема 14. Проявления горного давления в очистных выработках Характерные особенности и виды проявлений горного давления в очистных выработках. Напряженно-деформированное состояние вокруг очистной выработки. Зоны опорного давления и разгрузки. Взаимное влияние очистных выработок при разработке обособленных и сближенных пластов и жил. Основные принципы выбора способа управления горным давлением при ведении очистных работ. Тема 15. Устойчивость целиков и обнажений горных пород Основные принципы определения размеров устойчивых целиков и обнажений пород в очистных выработках. Предельные размеры обнажений пород в очистных выработках Несущая способность целиков в условиях упругого деформирования и хрупкого разрушения. Несущая способность целиков при их склонности к неупругому деформированию. Учет динамических воздействий взрывных работ при определении оптимальных параметров очистных выработок и целиков. Тема 16. Динамические проявления горного давления в массивах пород. Горные удары Общие сведения. Формы динамических проявлений горного давления. Классификация динамических проявлений горного давления. Условия возникновения динамических проявлений горного давления и представления

10

об их механизме. Баланс энергии динамических проявлений горного давления. Тема 17. Газодинамические проявления горного давления в массивах пород. Внезапные выбросы пород и газа Проявление внезапных выбросов пород и газа при разработке месторождения полезных ископаемых. Условия возникновения внезапных выбросов и представления об их механизме. Тема 18. Прогноз и предупреждение опасных динамических проявлений горного давления Прогноз и регистрация динамических проявлений горного давления. Методы прогноза удароопасности и выбросоопасности на различных стадиях освоения месторождений. Способы предупреждения горных ударов и внезапных выбросов пород и газа. Региональные меры предупреждения горных ударов и внезапных выбросов: опережающая отработка защитных пластов, мероприятия по дегазации и увлажнению выбросоопасных пород. Локальные меры предупреждения горных ударов и внезапных выбросов. Принципы ведения горных работ в условиях возможного проявления горных ударов и внезапных выбросов пород и газа. Вскрытие пластов и залежей. Выбор системы разработки. Выемка целиков, опасных по горным ударам. Защита людей от горных ударов и внезапных выбросов пород и газа. Тема 19. Сдвижение горных пород при подземной разработке Основные понятия. Параметры процесса сдвижения. Особенности развития процессов сдвижения для различных типов месторождений. Факторы, влияющие на процесс сдвижения. Методы определения основных параметров процесса сдвижения по результатам натурных наблюдений. Краткая характеристика расчетных методов определения сдвижений и деформаций земной поверхности.

11

Тема 20. Методы охраны объектов и сооружений в зоне влияния горных работ Основные принципы выбора мер охраны. Профилактические меры охраны. Горнотехнические меры охраны. Методы ведения горных работ при подработке сооружений. Ведение горных работ при отработке свит пластов (жил). Подработка водных объектов. Предохранительные целики. Конструктивные меры защиты подрабатываемых сооружений. Тема 21. Сдвижение горных пород при открытой разработке Формы проявления сдвижения пород при открытой разработке. Наблюдения за сдвижением пород в карьерах. Методы расчета устойчивости уступов и бортов карьеров. Расчет устойчивости отвалов. Противооползневые мероприятия в карьерах. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА Контрольная работа заключается в проведении расчетов и построении графиков к четырем задачам. Результаты расчетов оформляются в виде таблиц на стандартных листах бумаги с полями 20 мм с каждой стороны. Графики строятся на листах миллиметровой бумаги необходимого формата в соответствии с условиями конкретных задач. Структурными элементами контрольной работы являются: 1) титульный лист; 2) содержание (оглавление); 3) основная часть; 4) список использованных источников. Титульный лист должен содержать: полное наименование университета, филиала, факультета и кафедры, название дисциплины, по которой написана работа, академические звания, инициалы и фамилию преподавателя – научного руководителя, фамилию и инициалы исполнителя, номер курса, группы, отделение, на котором учится студент, название города, а также год написания работы. Примеры оформления титульного листа курсовой (контрольной) работы, реферата приведены в приложении.

12

Студент выполняет один из пяти вариантов каждой из четырех задач. Вариант задачи соответствует последней цифре номера зачетной книжки студента (см. таблицу): 0–1

2–3

4–5

6–7

8–9

1

2

3

4

5

Задача № 1 Расчет параметров полей статических напряжений вокруг одиночных выработок и построение графиков напряжений Необходимое оборудование: калькулятор, линейка, циркуль, блокнот для построения графиков, карандаш. Задание Рассчитать параметры поля упругих статических напряжений вокруг кругового поперечного сечения вертикальной и горизонтальной выработки радиусом а = 3 м и построить графики напряжений по направлениям θ = 0 и θ = 900. Компоненты поля статических напряжений вокруг кругового сечения выработок (система координат – цилиндрическая, ось Z соответствует продольной оси выработки) выражаются следующими соотношениями: Для вертикальной выработки: σr = (1 – а2/r2) {(σ3 + σ1)/ + [(σ3 – σ1)/2] (1 – 3 а2/r2) cos 2θ} σθ = [(σ3 + σ1)/2] (1 + а2/r2) – [(σ3 – σ1)/2] (1 + 3 а4/r4) cos 2θ (1) τrθ = – [(σ3 – σ1)/2] (1 + 2 а2 /r2 – 3 а4/r4) sin 2θ σz = σ2,

где σ1, σ2, σ3 – компоненты тензора напряжений в нетронутом массиве: σ3 – по направлению θ = 00 сечения,

13

σ1 – по направлению θ = 900 сечения, σ2 – вдоль продольной оси выработки; а – радиус сечения выработки; z, r, θ – текущие сферические координаты. Для горизонтальной выработки: σr = (1 – а2/r2) {(σ3 + σ1)/2 + [(σ3 – σ1)/2] (1 – 3 а2/r2) cos 2θ} σθ = [(σ3 + σ1)/2] (1 + а2 /r2) – [(σ3 – σ1)/2] (1 + 3 а4/r4) cos 2θ (2) τrθ = – [(σ3 – σ1)/2] (1 + 2 а2 /r2 – 3 а4/r4) sin 2θ σz = ν (σr + σθ),

где σ1, σ3, σ2 = ν(σ1+σ3) – компоненты тензора напряжений в нетронутом массиве: σ3 – вертикальное напряжение, σ2 – напряжение вдоль продольной оси выработки; σ1 – горизонтальное напряжение; а – радиус сечения выработки; z, r, θ – текущие сферические координаты. ν – коэффициент поперечных деформаций (Пуассона) пород вмещающего массива. 1. Вертикальная выработка а) Естественное поле напряжений – гравитационное. В этом случае σ3 = σ1 = λγН; σ2 = γН, где Н – глубина рассматриваемого сечения от дневной поверхности; γ – объемный вес пород вмещающего массива. Коэффициент бокового отпора λ в данном случае вычисляется по формуле λ = ν/(1 – ν), где ν – коэффициент поперечных деформаций (Пуассона) пород вмещающего массива. Сначала необходимо вычислить σ3 = σ1 = λγН, затем по формулам (1) найти напряжения σz, σr, σθ, τrθ в области до r = 2а с шагом 0.1а, далее – до 5а с шагом 0.5а и построить графики напряжений.

14

б) Естественное поле напряжений – гравитационнотектоническое. σ2 = γН, направлено вертикально; σ3 = nγН и действует по направлению θ = 00; σ1 = λγН и действует по направлению θ = 900. По формулам (2) вычислить напряжения σz, σr, σθ, τrθ в области до r = 2а с шагом 0.1а, далее – до 5а с шагом 0.5а и построить графики напряжений. 2. Горизонтальная выработка а) Естественное поле напряжений – гравитационное. В этом случае σ3 =γН, направлено вертикально, σ1=λγН, направлено по направлению θ = 900 (стенка); σ2 =ν (σ3 + σ1), направлено вдоль выработки, Н – глубина центра сечения горизонтальной выработки от дневной поверхности; γ – объемный вес пород вмещающего массива. Коэффициент бокового отпора λ в данном случае вычисляется по формуле λ = ν/(1 – ν), где ν – коэффициент поперечных деформаций (Пуассона) пород вмещающего массива. Сначала вычислить σ3 = γН; σ1 = λγН и σ2 = ν (σ3 + σ1), затем по формулам (2) найти напряжения σz, σr, σθ, τrθ в области до r = 2а с шагом 0.1а, далее – до 5а с шагом 0.5а и построить графики напряжений. б) Естественное поле напряжений – гравитационно-тектоническое. σ3 = γН, направлено вертикально; σ1 = nγН и действует по направлению θ = 900; σ2 =ν (σ3 + σ1) и действует вдоль выработки. Сначала вычислить σ3 = γН; σ1 = nγН и σ2 =ν (σ3 + σ1), затем по формулам (2) вычислить напряжения σz, σr, σθ, τrθ в области до r = 2а с шагом 0.1а, далее – до 5а с шагом 0.5а и построить графики напряжений. Исходные данные для расчетов напряжений соответственно вариантам приведены в таблице:

15

№ варианта

Н, м

1 2 3 4 5

100 200 300 400 500

γ, т/м3 2.55 2.65 2.75 2.85 2.95

ν

n

0.20 021 0.22 0.23 0.24

2 3 4 5 6

Задача № 2 Расчет параметров зон разрушений пород вокруг одиночных выработок Необходимое оборудование: калькулятор, линейка; циркуль, блокнот для построения графиков; карандаш. Задание Рассчитать параметры зон разрушений пород вокруг вертикальной и горизонтальной выработки кругового поперечного сечения по направлениям θ = 00 и θ = 900, нанести зоны разрушений на графики напряжений. Зоны разрушения от растягивающих напряжений отождествляются с областями действия растягивающих напряжений, т. е. предел прочности пород в массиве при растяжении принимаем равным нулю. Зоны возможного скола определяются выражениями:

16

(σθ – σr)/2 cos 2α1 (tg 2α1 – tgϕтр) > [τтр] + (σθ + σr)/2 tgϕтр, (σθ – σz)/2 cos 2α2 (tg 2α2 – tgϕтр) > [τ тр] + (σθ + σz)/2 tgϕтр, (σz – σr)/2 cos 2α3 (tg 2α3 – tgϕтр) > [τтр] + (σz – σr)/2 tgϕтр, где σθ, σz, σr – величины главных напряжений; [τтр], ϕтр – сцепление и угол внутреннего трения по поверхностям неоднородности, в частности, по естественным трещинам; α1, α2, α3 – углы ориентации поверхностей неоднородности по отношению к меньшему из главных напряжений. Величины напряжений принимаются из задачи №1 для вертикальной и горизонтальной выработки при гравитационном и гравитационнотектоническом поле естественных напряжений. Значения сцепления и угла внутреннего трения по поверхностям структурных неоднородностей принимаются равными соответственно [τтр] = 5 кг/см2 и ϕтр = 300; значения α1 = α2 = α3 = π/4 + ϕтр/2. Зоны возможных вывалов определяются областями массива, где одновременно реализуются два неравенства из приведенной выше системы неравенств. Задача № 3 Расчет параметров предельных обнажений в условиях массивов скальных пород и обоснование размеров очистных камер Необходимое оборудование: калькулятор, линейка, циркуль, блокнот для построения графиков, карандаш. Задание

17

Рассчитать параметры предельных обнажений пород в кровле горизонтальной камеры прямоугольного поперечного сечения, на глубине Н, составить таблицу и обосновать оптимальные размеры очистных камер. Параметры предельных обнажений определяются из выражения: (1) γ/(2 f0 P) ≥ 1/a + 1/b, где а и b – поперечные размеры возможных вывалов или обрушений (в плане); Р – распор структурных блоков; fo – коэффициент трения по поверхностям структурных неоднородностей, γ – объемный вес пород. Величину Р следует принять равной 0.21γН, коэффициент трения по поверхностям структурных неоднородностей принять равным fo = 0.2. Исходные данные для расчета параметров предельных обнажений соответственно вариантам приведены в таблице: № варианта

Н, м

1 2 3 4 5

100 200 300 400 500

γ, т/м3 2.55 2.65 2.75 2.85 2.95

Параметры а и b установить методом подбора, определив сначала предельные значения, принимая поочередно каждое из них равным бесконечности. По результатам вычислений составить таблицу: a ∞ …

b … ∞

Размеры очистных камер по простиранию и вкрест простирания выбираются исходя из данных таблицы.

18

Задача № 4 Расчет и построение охранного целика Необходимое оборудование: калькулятор, линейка, циркуль, блокнот для построения графиков, карандаш. Задание В условиях Донбасса отрабатывается сплошной системой с обрушением вышележащих пород пласт угля мощностью m с углом падения α = 300, мощность наносов – 20 м. Рассчитать размеры и построить в масштабе 1 : 2000 охранный целик под здание школы (здание каменное, 2-х этажное) глубина залегания пласта под школой Н ,м. Охранный целик следует строить методом вертикальных разрезов. Границы предохранительного целика определяются на вертикальных разрезах линиями пересечения почвы пласта с плоскостями, проведенными под углами сдвижения через границы охраняемой площади. При определении границ охраняемой площади контур объекта (школы) в плане заменяют описанным прямоугольником абве, стороны которого параллельны направлениям падения и простирания пласта, так как углы сдвижения в «Правилах охраны сооружений» задаются по простиранию и падению пласта. В данном случае описанный прямоугольник имеет площадь 50 х 50 м. Параллельно сторонам полученного прямоугольника строят предохранительную берму, которая обеспечивает некоторый запас надежности охраны объектов и компенсирует погрешности определения углов сдвижения. Внешние границы бермы являются границами охраняемой площади а’б’в’е’. Ширину бермы следует принять равной 10 м. Углы сдвижения следует принять: – в наносах ϕ = 600; – по восстанию пласта β = 80 – 0.8α; – по падению и по простиранию пласта γ =δ = 800.

19

Границы целика определяются точками пересечения с пластом линий, проведенных от границ охраняемой площади под соответствующим углом сдвижения в направлении восстания, падения и простирания пласта. Далее необходимо рассчитать значение безопасной глубины разработки Нб по формулам Нб = Кε m/[εg], Нб = Кi m/[ig], где Кε = 0.7; допустимые горизонтальные деформации [εg] = 6 10-3; Кi = 0.9; допустимые наклоны [ig] = 8 10-3. Из двух значений Нб следует принять большее. Если горизонтальная линия, обозначающая уровень безопасной глубины разработки на разрезе вкрест простирания пересекает целик, в качестве нижней границы целика принимается линия пересечения горизонта безопасной глубины с почвой пласта. Исходные данные для расчета параметров предохранительного целика соответственно вариантам приведены в таблице: № варианта 1 2 3 4 5

Н, м 100 200 300 400 500

m, м 2.0 2.3 2.6 2.9 3.2

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ЧАСТЬ 1. ОСНОВЫ ГЕОМЕХАНИКИ Тема 1. Основные понятия геомеханики 1. В чем заключается предмет и сущность геомеханики? 2. Определение геомеханики как науки. 3. Что является главной инженерной задачей геомеханики? 4. Что является основным объектом геомеханики? 5. В чем состоит общая методология геомеханики?

20

6. Что значит определить напряженно-деформированное состояние какого-либо тела или материальной среды? 7. Что такое напряжение? Виды напряжений. 8. Что такое деформация? Виды деформаций. 9. Что такое тензор напряжений и тензор деформаций? 10. Что такое перемещение? 11. Как описывается напряженно-деформированное состояние среды или тела с позиций моделей сплошной среды? 12. Какие частные случаи напряженно-деформированного состояния массива пород представляют интерес при решении практических вопросов геомеханики? 13. Какие модели дискретных сред находят практическое применение в геомеханике? 14. В чем заключаются основные особенности моделей блочных сред? Тема 2. Структурные особенности массивов горных пород 1. Какие составляющие определяют состояние массивов горных пород? 2. Глубинные зоны Земли и их параметры. 3. Классификации горных пород. 4. Петрографические особенности горных пород. 5. Что следует понимать под структурой и текстурой горных пород? 6. Основные виды тектонических структур земной коры и верхней мантии. 7. Классификация структурных неоднородностей массивов горных пород. 8. В чем заключается общая закономерность структуры, характерная для верхней мантии, земной коры и массивов горных пород? 9. Чем определяется степень влияния структурных неоднородностей различных порядков на условия деформирования и разрушения конкретных объектов? 10. Что такое масштабный эффект? 11.Что такое коэффициент структурного ослабления? 12. Основные понятия иерархически-блочной модели массива горных пород: элемент неоднородности, степень неоднородности, структурный

21

блок, структурная неоднородность, эффективная структурная неоднородность. Тема 3. Основные свойства горных пород 1. Классификация свойств горных пород, основной классификационный признак. 2. Плотностные свойства. Понятия удельного веса, объемного веса, удельной массы, объемной массы (плотности), пористости, коэффициента пористости. 3. Механические свойства. • Группа прочностных свойств. Понятия пределов прочности на сжатие, растяжение, срез (сдвиг), понятия сцепления и угла внутреннего трения. • Группа деформационных свойств. Понятия модуля упругости, модуля сдвига, коэффициента поперечной деформации, модуля деформации, коэффициента пластичности, коэффициента хрупкости, скорости распространения упругих колебаний, коэффициента затухания, акустической жесткости, ползучести, релаксации. • Группа горно-технологических свойств. Понятия коэффициента крепости, коэффициента разрыхления, коэффициента трения. Тема 4. Естественное поле напряжений массива горных пород 1. Что такое естественное или начальное поле напряжений массива горных пород? 2. Действием каких силовых полей определяется в общем случае начальное напряженное состояние земной коры? 3. В чем заключаются основные особенности гравитационного силового поля? 4. В чем заключаются основные особенности тектонического силового поля? 5. Что такое коэффициент бокового давления (бокового отпора)? 6. Как выражается коэффициент бокового давления в предположении идеально упругого деформирования массива горных пород?

22

7. Как выражается условие гидростатического распределения напряжений в массиве пород? 8. Что такое полный тензор напряжений массива горных пород? Тема 5. Общий методологический подход и методы исследования геомеханических явлений 1. Основные этапы методологического подхода к решению геомеханических проблем. Построение моделей ситуаций. 2. Что такое инженерно-геологическая модель массива пород? 3. Порядок построения инженерно-геологических моделей массива пород. 4. Что такое геомеханическая модель конкретной горно-геологической ситуации? 5. Вид и содержание геомеханической модели конкретной горногеологической ситуации. 6. Что такое физическая и математическая модели конкретной горногеологической ситуации? 7. Классификация методов получения исходной информации для построения моделей геомеханических явлений. 8. Что можно сказать о роли визуальных наблюдений? Тема 6. Методы определения свойств горных пород 1. В чем заключаются интегральный и дифференциальный подходы к определению свойств пород при использовании представлений об их иерархически-блочной структуре? 2. Какие подходы (интегральный или дифференциальный) целесообразно применять для определения плотностных, деформационных и прочностных свойств горных пород? 3. Почему целесообразно рассматривать раздельно методы определения плотностных, прочностных и деформационных свойств горных пород для объемов массивов, включающих структурные неоднородности высших и низших порядков?

23

4. Какие методы применяются при определении плотностных свойств для объемов массивов, включающих структурные неоднородности высших порядков? 5. Какие методы применяются при определении плотностных свойств для объемов массивов, включающих структурные неоднородности низших порядков? 6. Какие методы применяются при определении деформационных свойств для объемов массивов, включающих структурные неоднородности высших порядков? 7. Какие методы применяются при определении деформационных свойств для объемов массивов, включающих структурные неоднородности низших порядков? 8. Какие методы применяются при определении прочностных свойств для объемов массивов, включающих структурные неоднородности высших порядков? 9. Какие методы применяются при определении прочностных свойств для объемов массивов, включающих структурные неоднородности низших порядков? 10. Как определяются запредельные характеристики пород? 11. Как определяются свойства пород при динамических нагрузках? 12. Как определяются реологические параметры пород? 13. Как определяются свойства пород в условиях объемного нагружения? 14. Как определяются геометрические параметры структурных неоднородностей низших порядков, в частности, естественной трещиноватости? 15. Какие разработаны классификации горных пород? 16. Основные принципы классификации проф. М.М. Протодьяконова. Тема 7. Методы исследования напряженного состояния массива горных пород и его изменений во времени 1. Чем обусловлена специфика определения параметров напряженного состояния массива пород по сравнению с определением его физических свойств и характеристик структурных неоднородностей?

24

2. Какие существуют группы методов измерения статических напряжений в массиве горных пород? 3. Что представляют собой способы определения параметров напряженного состояния массива пород, исходя из оценок характеристик различных технологических процессов горного производства? 4. Что представляют собой деформационные способы определения параметров напряженного состояния массива пород, в частности, методы разгрузки и методы деформометров? 5. Что представляют собой компенсационные способы определения параметров напряженного состояния массива пород, в частности, метод гидроразрыва скважин? 6. Какие геофизические методы применяются для определения параметров напряженного состояния массива пород? 7. Какие существуют методы измерения динамических напряжений в массиве горных пород? 8. Какие этапы включает общий методологический подход к диагностированию напряженного состояния массива горных пород? Тема 8. Методы исследования состояния массива пород вокруг выработок и взаимодействия пород с крепью 1. Какие зоны выделяются в массиве пород, окружающем горную выработку? 2. Какая зона в первую очередь определяет состояние выработки? 3. Какие существуют экспериментальные методы определения параметров зоны неупругих деформаций вокруг выработок? 4. Какие экспериментальные методы определения параметров зоны неупругих деформаций вокруг выработок следует отнести к геометрическим методам? 5. Какие экспериментальные методы определения параметров зоны неупругих деформаций вокруг выработок следует отнести к физическим методам? 6. Какие существуют экспериментальные методы изучения взаимодействия пород с крепью выработок?

25

Тема 9. Общие подходы и методы натурных измерений при геомеханическом мониторинге состояния массива горных пород и подземных сооружений 1. В чем заключается сущность и назначение работ по организации мониторинга состояния внешней среды при разработке месторождений полезных ископаемых? 2. Какие этапы должны включать в себя работы по организации мониторинга? 3. Каким основным требованиям должны отвечать системы мониторинга? Тема 10. Аналитические методы исследования. Математические модели массива горных пород 1. В чем заключаются преимущества и недостатки аналитических методов исследования геомеханических процессов в массивах горных пород? 2. Какие математические модели необходимо рассматривать при решении вопросов геомеханики аналитическими методами? 3. Основные типы классических моделей сплошной среды, используемых в геомеханике. 4. В чем заключаются основные преимущества и недостатки упругой модели массива горных пород? 5. Какие модели дискретных сред находят применение в геомеханике? Тема 11. Аналитические методы исследования. Математические модели объектов геомеханики 1. Что представляют собой математические модели объектов геомеханики? 2. Основные принципы определения напряженно-деформированного состояния пород вокруг одиночной горной выработки. 3. Основные закономерности распределения напряжений вокруг одиночной горной выработки кругового поперечного сечения при гравитаци-

26

онном и гравитационно-тектоническом полях естественных напряжений ненарушенного массива. 4. Что такое коэффициент концентрации напряжений? 5. От чего зависят параметры зоны влияния одиночной выработки? 6. Основные принципы определения параметров зон разрушения вокруг выработок в условиях массивов скальных горных пород. 7. Основные закономерности распределения напряжений в массиве пород в условиях взаимного влияния выработок. Тема 12. Приближенные методы вычисления параметров напряженнодеформированного состояния горных пород вокруг системы выработок 1. Основные принципы приближенных методов вычисления параметров напряженно-деформированного состояния пород вокруг систем горных выработок. 2. Особенности и возможности метода конечных элементов применительно к задачам геомеханики, его преимущества и недостатки. Тема 13. Проявления горного давления в капитальных и подготовительных выработках 1. Типы проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках. 2. Основные факторы, определяющие конкретный тип проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках. 3. Что понимают под «управлением горным давлением»? 4. Основные задачи управления горным давлением в капитальных и подготовительных выработках. 5. Как можно снизить величины напряжений в массиве пород вокруг выработок? 6. Как можно повысить деформационную способность и прочность пород вокруг выработок? 7. Основные принципы взаимодействия крепи выработок и окружающих пород.

27

8. Основные требования к крепям капитальных и подготовительных выработок. Тема 14. Проявления горного давления в очистных выработках 1. Характерные особенности и виды проявлений горного давления в очистных выработках. 2. Особенности методов управления горным давлением в очистных выработках. 3. Особенности напряженно-деформированного состояния массива пород вокруг очистных выработок, образование зон разгрузки и опорного давления. 4. Особенности напряженно-деформированного состояния массива пород при взаимном влиянии очистных выработок при разработке обособленных и сближенных пластов. 5. Основные принципы выбора способа управления горным давлением при ведении очистных работ. Тема 15. Устойчивость целиков и обнажений горных пород 1. Какова основная цель оставления целиков с геомеханической точки зрения при проведении горных работ? 2. Основные типы целиков. 3. Почему при определении оптимальных параметров систем разработки в общем случае необходимо рассматривать напряженнодеформированное состояние системы «почва очистной выработки – целик – кровля очистной выработки – толща вышележащих пород – дневная поверхность»? 4. Что такое лимитирующий элемент? 5. Основные принципы определения предельных размеров обнажений пород в очистных выработках в условиях скальных пород. 6. Основные принципы определения несущей способности целиков по методу Л.Д. Шевякова. 7. Как учитывается склонность пород к неупругому деформированию при расчетах устойчивых размеров целиков?

28

8. Как учитываются динамические воздействия от взрывных работ при расчетах устойчивых размеров целиков? Тема 16. Динамические проявления горного давления в массивах пород. Горные удары 1. Что представляют собой динамические явления с физической точки зрения? 2. Общая характеристика и признаки горных ударов. 3. Виды горных ударов. 4. Классификации горных ударов. 5. Какие факторы способствуют проявлению горных ударов? Тема 17. Газодинамические проявления горного давления в массивах пород. Внезапные выбросы пород и газа 1. Что такое газодинамические явления? 2. Что представляют собой газодинамические явления с физической точки зрения? 3. Общие характеристики и признаки внезапных выбросов пород и газа. 4. Виды внезапных выбросов. 5. Классификации внезапных выбросов. 6. Какие факторы способствуют проявлению внезапных выбросов? Тема 18. Прогноз и предупреждение опасных динамических проявлений горного давления 1. Основные пути решения проблем по предупреждению динамических проявлений горного давления. 2. Как осуществляется прогноз и регистрация динамических проявлений горного давления? 3. Как подразделяются месторождения с точки зрения возможности динамических проявлений горного давления? 4. Виды прогноза динамических проявлений горного давления по месту их возникновения.

29

5. Виды прогноза динамических проявлений горного давления по времени их возникновения. 6. Какие предвестники горных ударов и выбросов могут наблюдаться в горных выработках? 7. Какие меры предупреждения горных ударов и выбросов применяются на региональном уровне? 8. Каковы локальные способы предупреждения горных ударов и выбросов? 9. Основные принципы ведения горных работ в условиях возможного проявления горных ударов и выбросов. 10. Как осуществляется вскрытие месторождений в условиях возможного проявления горных ударов и выбросов? 11. Как осуществляется выбор системы разработки месторождений в условиях возможного проявления горных ударов и выбросов? 12. Как осуществляется выемка целиков в условиях возможного проявления горных ударов и выбросов? 13. Какие существуют меры защиты людей от горных ударов и выбросов? Тема 19. Сдвижение горных пород при подземной разработке 1. Основные термины. 2. Параметры процесса сдвижения горных пород при подземной разработке месторождений. 3. Каковы особенности развития процесса сдвижения горных пород при подземной разработке различных классов месторождений? 4. Какие факторы определяют процесс сдвижения горных пород при подземной разработке месторождения? 5. Как наблюдают процессы сдвижения горных пород при подземной разработке месторождения? 6. Какие существуют расчетные методы определения параметров процессов сдвижения горных пород при подземной разработке месторождения? Тема 20. Методы охраны объектов и сооружений в зоне влияния горных работ

30

1. Основные принципы выбора мер охраны объектов и сооружений в зоне влияния горных работ. 2. В чем заключаются профилактические меры охраны объектов и сооружений в зоне влияния горных работ? 3. В чем заключаются горнотехнические меры охраны объектов и сооружений в зоне влияния горных работ? 4. Как осуществляются горные работы при отработке свит пластов (жил), если необходимо минимизировать деформации земной поверхности? 5. Как выполняются горные работы при подработке водных объектов? 6. Как определяются оптимальные параметры предохранительных целиков? 7. В чем заключаются конструктивные меры охраны объектов и сооружений в зоне влияния горных работ? Тема 21. Сдвижение горных пород при открытой разработке месторождения 1. Основные термины. Формы проявления процессов сдвижения пород при открытых горных работах. 2. Как наблюдают процессы сдвижения горных пород при открытой разработке месторождения? 3. Какие существуют расчетные методы определения параметров процессов сдвижения горных пород при открытой разработке? 4. Как оценивается устойчивость отвалов? 5. В чем заключаются профилактические меры по предотвращению оползней в карьерах?

31

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА Основная: 1. Баклашов, И.В. Механические процессы в породных массивах : учебник для вузов / И.В. Баклашов, Б.А. Картозия. – М. : Недра, 1986. – 372 с. 2. Турчанинов, И.А. Основы механики горных пород / И.А. Турчанинов, М.А. Иофис, Э.В. Каспарьян. – Л. : Недра, 1989. – 488 с. Дополнительная: 1. Амусин, Б.З. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики / Б.З. Амусин, А.Б. Фадеев. – М. : Недра, 1975. – 275 с. 2. Баклашов, И.В. Механика горных пород / И.В. Баклашов, Б.А. Картозия. – М. : Недра, 1975. – 272 с. 3. Безухов, Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести / Н.И. Безухов. – М. : Высш. шк., 1961. – 537 с. 4. Булычев, Н.С. Механика подземных сооружений : учебник для вузов / Н.С. Булычев. – М. : Недра, 1982. – 272 с. 5. Каспарьян, Э.В. Устойчивость горных выработок в скальных породах / Э.В. Каспарьян. – Л. : Наука, 1985. – 183 с. 6. Каспарьян, Э.В. Конспект лекций в электронном виде. 7. Марков, Г.А. Тектонические напряжения и горное давление в рудниках Хибинского массива / Г.А. Марков. – Л. : Наука, 1977. – 213 с. 8. Орлов, Г.В. Сдвижение горных пород и земной поверхности под влиянием подземной разработки : учебное пособие / Г.В. Орлов, М.А. Иофис. – М. : Изд-во МГИ, 1990. – 116 с. 9. Петухов, И.М. Механика горных ударов и выбросов / И.М. Петухов, А.М. Линьков. – М. : Недра, 1983. – 280 с. 10. Рац, М.В. Неоднородность горных пород и их физических свойств / М.В. Рац. – М. : Наука, 1968. – 108 с. 11. Ржевский, В.В. Основы физики горных пород / В.В. Ржевский, Г.Я. Новик. – М. : Недра, 1973. – 285 с.

32 Приложение ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ “МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ” Апатитский филиал кафедра горного дела

Контрольная работа По дисциплине_______________________________________________________________________ ________________________________________________________________

Тема___________________________________________________________ _______________________________________________________________

Автор: студент гр._________ _________________ /_______________/ (шифр)

(подпись)

(Ф.И.О.)

Оценка:_________________ Дата: ___________________ Проверил Преподаватель______________/_______________/____________ (должность)

(подпись)

Апатиты 2006

(Ф.И.О.)