ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ
Г.Кулаков, доктор технических наук,
заведующий лабораторией
механики горных пород ИГД СО РАН.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ
О НАПРЯЖЕННОМ
СОСТОЯНИИ ГОРНЫХ МАССИВОВ
В ВЕРХНИХ СЛОЯХ ЗЕМНОЙ КОРЫ
В послевоенные годы в связи с быстрым развитием производительных
сил и ростом объемов добычи полезных ископаемых в горной науке
наблюдался стремительный прогресс, в том числе в одной из ее
фундаментальных ветвей -- механике горных пород. Основные этапы
ее развития пришлись на вторую половину уходящего века. Механика
горных пород -- важнейшая ветвь горных наук -- наука о
напряженно-деформированном состоянии горных массивов, слагающих
верхнюю часть земной коры, в пределах которой ведутся горные и
геологоразведочные работы, наука о физико-механических свойствах
горных массивов и структурных процессах в них. Механика горных
пород -- теоретическая основа специфической в горном деле
проблемы -- горного давления. Вначале немного истории.
На состоявшейся в апреле 1951 г. в г. Льеже (Бельгия)
Международной конференции по горному давлению были заслушаны
большая серия докладов и ряд выступлений ведущих специалистов по
вопросам горного давления стран Западной Европы. В качестве сил,
обуславливающих горное давление, все они рассматривали
гравитационные силы, действующие в земной коре. Ни в докладах, ни
в дискуссии не поднимался вопрос о существовании в горных
массивах сил, отличных от гравитационных. Профессор Л.Доноэль
(Бельгия) в "Обзоре теории горного давления" подчеркивал:
"первоначальное напряжение в горных породах является результатом
их веса и возрастает пропорционально глубине". Профессор
Г.Шпаккелер (Германия) отмечал, что явления, происходящие в
породах, управляются действием их веса. Французский ученый
П.Гинар в своем сообщении о горном давлении на железных рудниках
Лотарингии исходил из положения, что напряжения в массиве пород
подчиняются закономерностям, определяемым гипотезой о
гравитационном поле напряжений.
Аналогичных взглядов к середине 60-х годов придерживаются
известные зарубежные геомеханики: Г.Эверлинг, О.Якоби, Р.Феннер.
В 20--60-е годы теоретические представления о природе горного
давления на основе гравитационной гипотезы, о
напряженно-деформированном состоянии верхнего слоя земной коры, о
силах, обуславливающих горное давление сформулированы и советской
школой геомехаников: М.Протодьяконовым, А.Динником, Л.Шевяковым,
П.Цимбаревичем, В.Слесаревым, К.Руппенейтом, В.Давидянцем. Исходя
из модели горной породы как дискретной среды М.Протодьяконов, еще
в начале века, сформулировал применительно к определению давления
на крепь горизонтальных подготовительных выработок гипотезу
свода, которая нашла в свое время широкое применение в среде
геомехаников и горных инженеров и вошла в учебники по горному
делу. Дальнейшее развитие уже на уровне знаний конца XX века
гипотеза М.Протодьяконова получила в работах специалистов ИГД СО
РАН (Е.Шемякина, С.Стажевского, А.Ревуженко). В конце 20-х годов
А.Динник, полагая, что горные породы можно моделировать упругим
телом, сформулировал теоретические основы гравитационной гипотезы
(гипотеза Динника) и получил формулы для вычисления компонент
тензора напряжений в массиве пород, а также вывел широко
известную формулу о боковом распоре в условиях действия
гравитационных сил. Согласно этой гипотезе, вертикальные
напряжения превышают по величине горизонтальные, а последние
равны между собой в различных направлениях и определяются
величиной коэффициента Пуассона. Важную роль сыграло
использование Г.Савиным условия совместности перемещений
контактирующих друг с другом точек поверхности выработки и крепи
при объяснении влияния податливости крепи на величину горного
давления.
Описанные представления сводились к выводу, что земная кора
находится в равновесном состоянии и единственной причиной
напряжений в горных породах является гравитационная сила.
Напряжения в земной коре, даже если они изменяются под действием
каких-либо факторов, со временем релаксируют, выравниваются. В
итоге, по мнению академика Л.Шевякова, "поле напряжений в
нетронутом массиве горных пород оказывается достаточно простым".
Гипотеза позволяла выполнять теоретические расчеты в практике
ведения горных работ, получила развитие в научной и методической
литературе по горному делу, нашла отражение в учебной литературе.
Таким образом, вопрос о силах, обуславливающих горное давление и
напряженное состояние верхних слоев литосферы, казался ясным и
очевидным -- это гравитационные силы, вес горных пород в
гравитационном поле Земли. В механике горных пород быстро
развивается направление, связанное с использованием классических
методов механики твердого деформируемого тела. Фундаментальную
роль здесь сыграли работы С.Михлина, Г.Баренблата,
С.Христиановича.
На этом этапе набирают силу экспериментальные методы исследования
состояния и свойств массивов горных пород в условиях их
естественного залегания. Получил развитие метод полной разгрузки
при определении напряжений в массиве, предложенный в конце 30-х
годов Д.Головачевым и Г.Кузнецовым. Практическое применение нашли
его варианты: метод Хаста, метод Лимана, метод торцевых измерений
ВНИМИ -- это Маркшейдерский исследовательский институт в
Санкт-Петербурге. Первые систематические измерения естественных
напряжений в шестидесятых годах привели к неожиданным открытиям.
Создание современных инструментальных методов исследования
напряженно-деформированного состояния массива горных пород
породило серию открытий высоких горизонтальных напряжений в
некоторых участках верхних слоев земной коры в пределах всех
континентов. Установлено, что горизонтальные составляющие
напряжений, как правило, превышают величину вертикальной
компоненты и не равны между собой.
Заметим, что согласно гравитационной гипотезе, горизонтальные
напряжения должны быть меньше вертикальных и равны во всех
направлениях. Таким образом, экспериментальные результаты
разошлись с предсказаниями существовавшей теории.
Повышенные горизонтальные напряжения были экспериментально
зарегистрированы в период 1960--1980 гг. В геомеханической
литературе принято считать, что повышенные горизонтальные
напряжения впервые экспериментально обнаружил шведский геомеханик
N.Hast при измерениях в Скандинавии. Высокие горизонтальные
напряжения, в 5--10 раз превышающие вертикальные,
зарегистрированы И.Турчаниновым, Г.Марковым, А.Козыревым и
другими в апатитовых рудниках Кольского полуострова в 1966 г.
Повышенные горизонтальные напряжения обнаружены С.Батугиным,
А.Шаманской, П.Егоровым на Таштагольском железорудном
месторождении в Горной Шории (1966, 1967, 1968). Повышенные
горизонтальные напряжения, превышающие вертикальную компоненту,
установлены в пределах территории СНГ: на Душанбинском полигоне,
в Джезказгане, на Урале, в горнорудных районах Средней Азии, на
месторождениях Курской магнитной аномалии, на рудниках Норильска,
в рудниках Забайкалья, на месторождениях Приморья. Высокие
горизонтальные напряжения широко регистрировались и за рубежом: в
Южной Африке, США, на территории Канады, в Европе, Японии, Китае,
Корее, Скандинавии. Обзор экспериментальных данных по измерению
естественных напряжений по состоянию на 1970 г. выполнен
Н.Булиным, который отметил, что "в континентальных областях
земной коры преобладает поле общетектонического сжатия; на
участках чехла платформ и в образованиях фундамента наибольшее
главное напряжение близко к вертикальному".
Поток описанных открытий в геомеханике свидетельствует о
разнообразии видов напряженно-деформированного состояния массивов
горных пород. Земная кора постоянно испытывает сдвиговые
воздействия, связанные с ротационными эффектами и приливными
волнами в литосфере, с тектоническими движениями отдельных ее
участков, сейсмическими процессами, движениями магматических
масс, изменениями тепловых полей. По существу земная кора
представляет собой своеобразную механодинамическую систему как
отмечает специалист-геомеханик А.Леонтьев, находящуюся под
воздействием массовых сил различной природы, порождаемых
разнопериодными процессами глобального масштаба. При этом
различные типы движений земной коры накладываются друг на друга,
оставляя следы своего воздействия во всей толще пород, в конечном
счете отражаясь в структуре слагающих ее породных массивов.
Силы, ответственные за повышенные горизонтальные напряжения в
земной коре, установленные в результате экспериментальных
инструментальных измерений, специалисты-геомеханики договорились
называть тектоническими силами. Их природа отлична от
гравитационных. Возможность существования таких сил в земной коре
впервые теоретически предсказал советский ученый академик
М.Гзовский в 1954 г. Но эти результаты тогда остались
незамеченными. До первых экспериментальных данных оставалось еще
целых 13 лет.
Открытие тектонических сил, действующих в отдельных участках
земной коры, привело к коренному пересмотру основ современной
геомеханики. Гипотеза тектонических сил позволила по новому
подойти к вопросам горного давления, к проблеме горных ударов.
Стало ясно: напряжения, обусловленные тектоническими силами,
рассчитать невозможно, в отличие от напряжений, связанных с
гравитационными силами. Их необходимо измерять. Если в условиях
гравитационной гипотезы расчет исходных (начальных) напряжений
был проблематичен вследствие неоднородности свойств массивов
пород, то теперь добавился непредсказуемый силовой фактор --
тектонические напряжения, о природе которых мало что известно.
Наличие высоких тектонических напряжений в пределах некоторых
месторождений полезных ископаемых потребовало от горняков
учитывать этот новый природный геомеханический фактор при
планировании и ведении горных работ, при выборе способов
управления горным давлением. Стало очевидным, что правильно
запроектировать сеть вскрывающих подготовительных выработок на
новом месторождении нельзя, не изучив параметры реального поля
напряжений. Дело в том, что в целях обеспечения устойчивости
основных вскрывающих выработок, их необходимо располагать в
направлениях, совпадающих с ориентацией максимального главного
напряжения. Это обстоятельство выдвигает новые дополнительные
требования к геологоразведочным службам. При разведке новых
месторождений они должны, наравне с оценкой запасов и других
необходимых при проектировании нового горнодобывающего
предприятия данных, экспериментально оценивать параметры поля
напряжений. Соответственно возникает потребность в разработке
дополнительных методов ведения геологоразведочных работ, в
разработке новой аппаратуры.
Стала очевидной и необходимость определенной перестройки в
проектных организациях горного профиля. Необходимы новые подходы
к размещению вскрывающих и капитальных подготовительных
выработок, а соответственно уточнения существующих методик и
руководств по проектированию и разработке новых
нормативно-проектных материалов. Необходимы уточнения в работе
экспертной системы соответствующих министерств и ведомств.
Уже в середине 60-х годов, когда только последовали первые
результаты по инструментальному обнаружению повышенных
горизонтальных напряжений, специалистам-геомеханикам стала
очевидной быстро возрастающая роль инструментальных измерений в
механике горных пород. На этом этапе все мировые центры этой
отрасли знаний стали резко усиливать исследования по изучению
напряженно-деформированного состояния массивов горных пород и
создавать соответствующую приборную и методологическую базы. Эти
направления стали развиваться в большинстве научных организаций
горного профиля бывшего СССР (во ВНИМИ, ИГД им. А.Скочинского, в
МГИ, в ЛГИ, в ДонУГИ, в Институте горного дела Казахстана, в
Институте механики горных пород Грузии и ряде других
организаций). В Сибирском отделении, в частности, в ИГД
руководители Отделения и института приняли меры по созданию
средств измерений в горных породах. В начале 70-х годов, помимо
лаборатории горного давления (руководитель член-корр. АН СССР
Т.Горбачев), формируется лаборатория механики горных пород под
руководством тогда молодого доктора наук М.Курлени. При институте
начинает функционировать всесоюзный семинар "Измерение напряжений
в массиве горных пород", работой которого руководили академики
Е.Шемякин и М.Курленя.
В институте развиваются известные и разрабатываются новые методы
измерения напряжений, деформаций, смещений, физико-механических
свойств горных пород.
В заключение отметим: развитие механики горных пород
(геомеханики) в течение XX века повторило путь ряда известных
классических наук в истории человечества. Теория, построенная на
основе гравитационной гипотезы (работы А.Динника, Г.Савина и др.)
в геомеханике, в известной мере повторила судьбу теории тяготения
Ньютона или электродинамики Максвелла. Роль эксперимента
Майкельсона-Морли в геомеханике сыграло экспериментальное
открытие высоких горизонтальных напряжений в некоторых участках
земной коры, которые не могли быть предсказаны или объяснены в
рамках гравитационной теории.
На примере механики горных пород прослеживается общность пути
развития фундаментальных наук.
стр.
|
