Становление и развитие геомеханики как науки
Введение
С самих первых шагов своего развития человек нуждался в добыче продуктов, а также материалов из природы, в том числе и с недр земли. Учитывая это можно утверждать, что горные промыслы относятся к самым древним видам работы человечества и имеют за собой богатый исторический опыт развития. Поэтому горные промыслы являются древнейшими видами осознанной деятельности человека и имеют многовековую историю. Горное дело - старейший вид производственной деятельности, и раньше и на текущий момент никто не может себе представить добычу полезных ископаемых без учета такой научной дисциплины как геомеханики.
Человеческая деятельность человека по эксплуатации техногенных, а также природных месторождений полезных ископаемых, по целевому использованию использованию выработанных площадей, по освоению и использованию остальных ресурсов недр, по охране экологической среды на всех порах велась в тесном взаимодействии и на базе прогнозов
Важно изучить исторические вехи развития данной науки, ведь часто необходимо ежечасно повышать уровень знаний о процессах и явлениях при производстве горных работ, разработать правила и приёмы , обеспечивающих которые обеспечивают эффективность и безопасность проведения горных работ. Именно эту цель преследует геомеханика, под которой понимается наука наука, изучающая процессы, что происходят в недрах, поэтому в ней особое внимание уделяется именно среде – горным породам и массивам [7].
Цель освоения данной научной дисциплины – сформировать знания о напряженно-деформированном состоянии породного массива в процессе проведения горных работ, методах его исследования, а также о взаимодействии массива пород с различными инженерными конструкциями и способах управления геомеханическими процессами.
К основным объектам изучения геомеханики относят горные массивы, а также все элементы геологического строения недр Земли, различного уровня и масштаба, и, собственно говоря, сами горные породы, которые и составляют данные массивы.
В развитие геомеханики как науки внесли значительный вклад такие ученные как К.И. Терцаги, И.М. Герсеванов, В.А. Флорин, Ю.К. Зарецкий, З.Г. Тер-Мартиросян, П.Д. Евдокимов, С.Б. Ухов, Н.Н. Морарескул, П.С. Амарян, М.Ю. Абелев, П.А. Коновалов, В.В. Соколовский, С.С.Голушкевич, Д.И. Шерман, С.Г. Михлин, С.Г. Лехницкий и другие.
Учитывая вышеизложенное важно рассмотреть историческое развитие геомеханики как науки, ее становление как отдельной научной дисциплины.
Цель данной работы – всесторонне рассмотреть и охарактеризовать становление и развитие геомеханики как науки. Цель работы достигается выполнением следующих задач:
- охарактеризовать основные понятия и определения становления геомеханики как науки;
- проанализировать исторические этапы развития геомеханики.
Работа состоит извведения, двух разделов, заключения и списка литературы.
1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТАНОВЛЕНИЯ ГЕОМЕХАНИКИ КАК НАУКИ
Под геомеханикой понимается наука о механических свойствах и механическом состоянии массива горных пород и процессах деформирования и разрушения (геомеханических процессах), происходящих в нем в определенных природных условиях под влиянием горно-технических (технологических) факторов.
Геомеханика, ныне в классическом отражении представляемая как объемная наука в субсфере наук о Земле [11], зародилась разделом геофизики на рубеже XIX-XX вв. на стыке геологии и механики и особенно тесно связана с инженерной геологией и механикой сплошной среды.
Приведем определения и основное содержание данной научной дисциплины. В БЭС [3] под геомеханикой понимается (от гео…и механика) наука о механическом состоянии земной коры и процессах. В источнике Горные науки. Освоение и сохранение недр [9]:«Геомеханика – это наука о деформациях горных пород, движениях в них жидкости и газа, вызывающих эти деформации и движения, в советском философском словаре [18]: «Геомеханика (механика горных пород), наука, изучающая физико- механические свойства пород, их напряженное состояние, процессы деформировании и разрушения, происходящие под влиянием природных и технологических факторов»
Необходимо отметить, что существуют и другие определения понятия геомеханики. Так, например, Н.А. Цытович и З.Г. Тор-Мартиросян [7] определяют геомеханику как специальную область общей механики, посвященную количественной оценке механических процессов в верхних слоях земной коры и включающую: механику сплошных массивно-кристаллических горных пород, механику скальных (трещиновато-блочных) пород, механику многофазных грунтов, механику органоминеральных и органических масс, которые все в механическом смысле подчиняются единым общим фундаментальным аналитическим зависимостям, но для любого отдельного класса пород обязательно еще и в каждом конкретном случае экспериментально устанавливать вид добавочных физических уравнений, характеризующих ее деформативно-напряженное состояние.
Приведенные определения геомеханики достаточно близки между собой, несмотря на то, что авторы второго определения занимаются в основном решением задач прикладной геомеханики в строительстве.
Предметом геомеханики как науки являются свойства и состояние массива горных пород с учетом твердой, жидкой и газообразной фаз и их изменения в процессе техногенного воздействия на массив горных пород.
Целью геомеханики как науки является создание гипотез, теорий и методов, позволяющих получать оперативную и надежную информацию о механических свойствах и природном напряженно-деформированном состоянии массива горных пород; ' устанавливать закономерности изменения этого состояния в результате развития в нем процессов деформирования и разрушения под влиянием природных и технологических факторов определять систему технологических методов управления геомеханическими и геодинамическими процессами в массиве горных пород для обеспечения эффективного и безопасного освоения ресурсов недр.
Методы геомеханических исследований основываются на использовании данных математики, физики твердого тела, теории упругости и пластичности, реологии, геологических и горных наук и применяются для решения конкретных задач, которые ставятся перед геомеханикой при недропользовании.
Содержание геомеханики как науки можно разделить наследующие семь частей.
В первую часть входят теории и основанные на них методы, позволяющие получить объективную информацию о свойствах горных пород в образце и в массиве.
Во вторую часть входят теории и основанные на них методы, позволяющие получить объективную информацию природном напряженном деформированном состоянии массива горных пород в различных горно-геологических и гидрогеологических условиях.
В третью часть входят теории и основанные на них методы, позволяющие установить закономерности изменения природного напряженно-деформированного состояния массива горных пород открытом способе разработки месторождений полезных ископаемых (физико-технической открытой гсотехнологии) и разработать технику и технологию управления деформационными процессами в этих условиях.
В четвертую часть входят теории и основанные на них методы, позволяющие установить закономерности изменения природного напряженно-деформированного состояния массива горных пород при подземном способе разработки месторождений полезных ископаемых (физико-Технической подземной гсотехнологии) и разработать технику и технологию управления деформационными процессами (в том числе применительно к взаимодействию горных пород и крепей выработок) в этих условиях.
В пятую часть входят теории и основанные на них методы, позволяющие установить закономерности изменения природного Напряженно-деформированного состояния при комбинированном способе разработки месторождений полезных ископаемых (комбинированной физико-технической технологии) и разработать технику и технологию управления деформационными процессами в этих условиях.
В шестую часть входят теории и основанные на них методы, позвляющие установить закономерности изменения природного напряженно-деформированного состояния при разработке месторождений полезных Ископаемых через специальные скважины (физико-химической технологии) и разработать технику и технологию управления деформационными процессами в этих условиях.
И, наконец, в седьмую часть входят теории и основанные на них методы, позволяющие установить закономерности изменения природного напряженно-деформированного состояния при строительстве подземных сооружений (строительной геотехнологии) и установить технику и технологию управления деформационными процессами в этих условиях
Таким образом, в данном разделе рассмотрены основные положения и определения геомеханики как науки
. Если говорить о геомеханике как об горной науке, то можно сделать следующие выводы: некоторые авторы считают геомеханику очень обширной научной дичциплиной, масштабы которой выходят далеко за пределы горной науки, другие же учены придерживаются точки зрения, что геомеханика – это наука сугубо о движениях в горных породах жидкости и газа, о силах, которые вызывают движение и деформацию и, самое главное, о деформации горных пород [14].
2 ИСТОРИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ГЕОМЕХАНИКИ
В истории развития геомеханики можно выделить несколько этапов. Это деление является до некоторой степени условным, так как результаты исследований, выполненных на одном этапе, продолжаются и развиваются в последующем [8].
2.1 Первый этап
Первый (начальный) этап относится ко второй половине ХIХ века. В это время началось изучение процесса сдвижения горных пород при подземном способе разработки с помощью простейших инструментальных наблюдений на поверхности и обобщения опыта ведения горных работ. Поскольку горные работы велись тогда на относительно небольших глубинах, механизм сдвижения горных пород над очистной выработкой представлялся в виде оседания всей покрывающей толщи пород как единого целого между двумя поверхностями разрыва, простирающимися от границ очистной выработки до земной поверхности.
С увеличением глубины горных работ было установлено, что размеры зоны сдвижений земной поверхности существенно превышают площадь выработанного пространства. Поэтому было высказано предположение о том, что все точки земной поверхности и породного массива, расположенные над очистной выработкой, опускаются вертикально, а в краевых зонах смещаются по направлению к границам выработки. Над очистной выработкой наблюдаются деформации сжатия, а у краев мульды оседания - деформации растяжения.
2.2 Второй этап
Представления о горном давлении окончательно сформировались в конце XIX- в начале XX вв. Предшевствующие им инструментальные наблюдения за деформацией горных пород стали началом горного дела. Горные инженеры тех времен пришли к выводу, что существуют «естественные напряжения» в горных массивах. В 1878-1912 гг профессор Гейле высунул теорию о напряжениях в горных массивах, суть которой состоит в том, что горизонтальные напряженияимеют величину такой же степени, что и вертикальные.
К началу ХХ века относится второй этап развития геомеханики. На этом этапе многие авторы предлагали свои гипотезы возникновения горного давления при подземной разработке месторождений полезных ископаемых и обосновывали методы расчета его величины. 1907 году основополагающей отечественной работой, в которой развивалась так называемая «гипотеза свода», явилась монография М.М. Протодьяконова «Давление горных пород на рудничную крепь». В это же время получили распространение методы расчета, основанные на использовании положений теории сопротивления материалов и строительной механики [4].
Также в 1900 году в США предложено формулу расчета показателей прочности целиков (антрацитные шахты).
2.3 Третий этап
Третий этап развития геомеханики относится к двадцатым годам ХХ века и характеризуется применением методов теории упругости к решению проблем горного давления. В 1925-1926 гг. А.Н. Динник [4] впервые предложил использовать теорию упругости для описания напряженнодеформированного состояния горных массивов. Отсюда появилось понятие бокового давления, отличного от нуля, а отношение этого давления к вертикальному горному давлению получило названии е коэффициента бокового давления. Таким образом, в 20-30 годах, прошлого столетия впервые при решении проблем горного давления стали использовать исходные понятия об упругих средах, закон Гука и уравнения равновестия.
2.4 Четвертый этап
Начало четвертого этапа в развитии геомеханики в России приурочено к середине тридцатых годов, когда в результате исследований Г.Н. Кузнецова был разработан новый метод моделирования проявлений горного давления с помощью эквивалентных материалов. Применение методов моделирования позволили получить важную информацию о напряженно-деформированном состоянии массива горных пород для различных горно-геологических условий и разработать методы расчета деформаций горных пород.
2.5 Пятый этап
Пятый этап развития геомеханики связан с широко известными работами В.В. Соколовского и С.С.Голушкевича и характеризуется дальнейшим расширением применения аналитических методов для решения геомеханических проблем.
Работы В.В. Соколовского и С.С Голушкевича послужили основой для разработки многих инженерных методов расчета предельных нагрузок на целики, предельного состояния пород вокруг одиночных горных выработок, вертикальных шахтных стволов и кровли очистных выработок, а также расчета устойчивости уступов и бортов карьеров
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
