Зарождение и начальный этап развития геомеханики

С первых шагов развития горного промысла людям, добывавшим полезные ископаемые, приходилось постоянно сталкиваться с "опросами, которые ныне относят к геомеханике. На первых порах их решали на основе практического опыта рудокопов, передаваемого из поколения в поколение, который основывался главным образом на визуальных наблюдениях за поведением горных пород и на интуиции.

Однако по мере развития масштабов добычи перед горняками вставали все новые и новые трудности. С одной стороны, это преодоление вредных последствий выемки толщ полезных ископаемых недр и образования полостей, а с другой — ведение работ в более прочных массивах руд и угля, на больших глубинах, при сложном рельефе дневной поверхности, в непосредственной близости ранее выработанных участков и горизонтов, под наземными сооружениями и зданиями, водоемами и т. д.

В свою очередь, это обусловило изменение технологии горнодобычных работ. В частности, во все увеличивающихся масштабах в горном деле стали применять отбойку взрывным способом, так называемые порохострельные работы. Применение взрывной отбойки сразу же изменило воздействие на массив и дневную поверхность и резко обострило необходимость изыскания специальных Мероприятий для защиты рабочих в рудниках, охраны зданий и сооружений от вредных влияний разработки.

Выбор и определение условий применения этих мероприятий настоятельно требовали изучения процессов деформирования и разрушения горных пород вокруг выработок, установления закономерностей развития этих процессов в пространстве и во времени. При этом и первую очередь изучались прямые следствия ведения горных разработок — обрушение и оседание горных пород — без сколько-нибудь глубокого анализа механизма их возникновения и развития.

Таким образом, начальным этапом развития геомеханики является изучение закономерностей обрушения и оседания горных пород в выработках и на земной поверхности на базе обобщения практического опыта ведения горных работ, а также визуальных и простейших инструментальных наблюдений. В результате такого изучения появились первые практические правила определения области влияния горных работ на земную поверхность и в первую очередь на ту ее часть, которая характеризуется развитием опасных деформаций и трещин.

Все упомянутые правила имели один общий принципиальный недостаток: они были установлены в некоторых частных условиях и отражали совокупное влияние отдельных факторов, определяющих деформирование какого-то конкретного массива. Авторы же этих правил претендовали на их общность и пытались распространить их на условия, где действующие факторы проявлялись по-иному.

При этом следует заметить, что перечень основных факторов, определяющих процесс деформирования дневной поверхности, тем не менее был уже достаточно четко очерчен. В частности, в работе английского инженера Дж. Гудвина (1864) ясно указывалось, что характер сдвижения поверхности определяется применяемой системой разработки, свойствами пород, значениями углов падения и мощности пластов полезного ископаемого, глубиной ведения горных работ и др., т. е. факторами, существенное влияние которых в настоящее время является общепризнанным.

Дальнейшее развитие гипотез оседания пород над выработанными пространствами характеризуется постановкой специальных инструментальных наблюдений за деформированием поверхности. В последней четверти XIX в. достаточно точные по тому времени наблюдения были поставлены во всех основных эксплуатировавшихся угольных бассейнах Западной Европы.

Вместе с тем на начальном этапе развития геомеханики процессы оседания дневной поверхности представляли как следствие либо прогиба пластов, либо их обрушения над горными выработками. При этом одни исследователи в соответствии со своими наблюдениями принимали, как наиболее вероятный, процесс прогиба, другие — процесс обрушения. Это объясняется тем, что в те времена еще не проводили специального изучения горных пород как деформируемой среды. Лабораторные испытания и определение прочностных свойств естественных камней велись лишь для архитектурно-строительных целей, где породы использовали в качестве строи-

тельных материалов. В связи с этим основными параметрами, определяемыми экспериментально, являлись значения прочностных характеристик в условиях простейшего напряженного состояния — одноосного, а также значения модуля упругости (модуля Юнга).

Существенным вкладом в разработку методов испытаний различных материалов и, в частности, горных пород явились работы голландского физика П. Мушенбрука, который в 30-х годах XVIII в. сконструировал первые установки для испытаний на растяжение, сжатие и изгиб, а также изобрел устройство для захвата торцов образцов в испытаниях на растяжение.

В России вопросы, относящиеся к геомеханике, впервые были поставлены на страницах Горного журнала, основанного в 1825 г. Начиная с 1875 г. в этом журнале периодически публикуют материалы различных авторов, рассматривающих и критически оценивающих методы подземной разработки угольных и рудных месторождений Европы с позиций геомеханики. Так, в 1875 г. была опубликована работа горного инженера К. Гривнака, в которой уделялось значительное внимание обрушениям и оседанию горных пород над выработками. В 1898—1900 гг. публиковались труды проф. Г. Романовского, где ставились вопросы о необходимости охраны сооружений на поверхности от влияния сдвижения горных пород. В 1903 г. проф. Б.И. Бокий выступил со статьей, где вопросы обрушения пород над выработками впервые рассмотрены в тесной взаимосвязи с применяемыми системами разработки.

Указанные выступления заложили основу для проведения в дальнейшем организационных и технических мероприятий, направленных на исследование процессов геомеханики в шахтах и рудниках России, а также для подготовки отечественных специалистов этой области.

Таким образом, можно заключить, что к концу XIX в. были изучены основные формы деформирования и разрушения горных пород в выработках и на дневной поверхности, начаты инструментальные наблюдения за деформированием дневной поверхности при разработке главнейших западноевропейских угольных месторождений и предложены первые практические правила для построения предохранительных целиков и ограничения области опасных сдвижений поверхности.

Однако на начальном этапе исследователи обращали внимание в основном лишь на внешние стороны явлений. Предложенные зависимости носили эмпирический характер и не содержали параметров, отражающих реальные свойства деформирующихся массива пород.