История развития геомеханики в России

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Санкт-Петербургский  государственный  горный  университет

РЕФЕРАТ

по дисциплине «История и философия науки»

Тема: «История развития геомеханики в России»

Автор: аспирант каф. БП                                                /Серегин А.С./

Научный руководитель:                                                        /проф. Коршунов Г.И./

Проверил:                                                                              /проф. Пукшанский Б.Я./

Санкт-Петербург

2011 г.

Оглавление

1. Введение

Начиная с самых первых шагов своего развития человечество вынуждено было добывать необходимые  продукты и материалы из окружающей среды, в том числе и из недр Земли. Поэтому горные промыслы являются древнейшими видами осознанной деятельности человека и имеют многовековую историю.

При этом по мере всё большего проникновения  в подземное пространство человек  сталкивался со всё более возрастающими трудностями и опасностями, а также совершенно необъяснимыми явлениями и это очень часто вызывало ужас у древних рудокопов. Но по мере приобретения опыта, зачастую ценой больших лишений и жертв, люди всё глубже проникали в недра, добывали всё большее количество полезных ископаемых, горное дело развивалось и в настоящее время превратилось в высоко развитую отрасль мировой индустрии.

Необходимо заметить, что неблагоприятные  условия труда в подземном  пространстве сохраняются и до сих  пор и современным горнякам также  приходится сталкиваться с большими трудностями, неожиданными и опасными явлениями, о чём свидетельствуют сообщения о катастрофах и жертвах в шахтах рудниках.

Единственным путём преодоления  опасной тенденции возрастания  несчастных случаев при разработке месторождений полезных ископаемых является повышение уровня знаний о  процессах и явлениях при производстве горных работ и разработка на этой основе правил и приёмов, обеспечивающих эффективность и безопасность их проведения.

Именно эту цель преследует геомеханика, изучающая механические процессы в массиве горных пород как среде, в которой функционируют горные предприятия.

2. История развития геомеханики

Горная геомеханика  сформировалась в научную дисциплину в 19 в. в связи с изучением условий  обрушения и оседания земной поверхности  над горными выработками. В России исследования в области горной геомеханики включали охрану сооружений на поверхности от влияния сдвижения горных пород (Г. Д. Романовский, 1898-1900), изучение взаимосвязи обрушения пород над выработками с применяемыми системами разработки (Б. И. Бокий, 1903), развитие гипотезы свода естественного равновесия пород над выработками, расчёты устойчивых пролётов выработок и величины горного давления (М. М. Протодьяконов, 1907), создание программы изучения сдвижения и обрушений пород (П. М. Леонтовский, 1911-13).

Основополагающие исследования в горной геомеханике были выполнены после Октябрьской революции 1917. Под руководством И. М. Бахурина в Ленинграде в 20-е гг. была создана научная школа по изучению сдвижения горных пород. В 30-е гг. в Киеве сформировалась научная школа во главе с А. Н. Динником, изучавшая поля напряжений вокруг выработок различных размеров и конфигураций на основе теории упругости. В 1935-40 были впервые предложены методы непосредственного определения напряжений в массивах горных пород (Д. Д. Головачёв и Г. Н. Кузнецов); в 1936 разработан метод моделирования с использованием эквивалентных материалов (Кузнецов). В 40-50-е гг. созданы способы расчёта на прочность целиков (Л. Д. Шевяков и др.), инженерные способы расчёта горного давления на основе строительной механики и сопротивления материалов (В. Д. Слесарев, П. М. Цимбаревич). Фундаментальные исследования велись в этот период по теории предельного равновесия применительно к устойчивости бортов карьеров, котлованов и отвалов. В 50-60-е гг. изучен механизм взаимодействия массива пород и крепей горных выработок; при этом было установлено, что крепь следует рассматривать как активный элемент, свойства которого существенно влияют на условия деформирования массива окружающих пород (Г. А. Крупенников и др.). В 60-70-х гг. развивались исследования реологических процессов в массивах горных пород, особенностей деформирования и разрушения горных пород в условиях неравномерных нагрузок при высоком горном давлении (К. В. Руппенейт, Ж. С. Ержанов, Е. И. Шемякин). Благодаря разработке и применению численных методов (конечно-разностного и вариационно-разностного) достигнуты успехи в аналитическом определении напряжённо-деформированного состояния структурно-неоднородных массивов пород. В этот период расширились представления о природе горного давления, связанные с изучением тектонических полей напряжений (М. В. Гзовский, И. А. Турчанинов).

Перспективные направления развития горной геомеханики связаны с  изучением механического поведения  горных пород на больших глубинах, созданием бесшахтных и безлюдных  процессов добычи полезных ископаемых, исследованием влияния на массивы пород динамических нагрузок (массовые взрывы, землетрясения, крупные обрушения), прогнозированием освоения недр Луны и других планет.

За рубежом наиболее крупные  исследования в горной геомеханике  выполнили: А. Гейм (Швейцария), первым выдвинувший гипотезу о гидростатичности напряжённого состояния массива  горных пород; Г. Шпакелер (ГДР), установивший закономерности распределения напряжений в толще пород вокруг очистных пространств в различных горно-геологических условиях; О. Якоби (ФРГ), детально изучивший закономерности горного давления при разработке угольных пластов; Ф. Мор (ФРГ), установивший важные закономерности взаимодействия горных пород и крепей; Р. Феннер (Чили), проведший теоретические и экспериментальные исследования по созданию основ математической теории горного давления; А. Лабас (Бельгия), предложивший способы расчёта горного давления с учётом податливости и других характеристик крепей; Е. Литвинишин (ПНР), развивший статистические методы в приложении к задачам горной геомеханики; Л. Мюллер (Австралия), детально изучивший закономерности горной геомеханики в скальных массивах и решивший ряд конкретных задач их использования в инженерной практике и др.

С 50-х гг. 20 в. проводятся международные  конференции по горной геомеханике. При Академии Наук ГДР с 1958 функционирует Международное бюро по механике горных пород. В 1962 организовано Международное общество по механике горных пород, которое проводит раз в 4 года конгрессы. По тематическому плану СЭВ с 1967 ведутся совместные работы по созданию комплексов различной аппаратуры и совершенствованию методов определения напряжений в массиве горных пород. В СССР исследования по горной геомеханике проводятся в институтах Академии Наук СССР, ИПКОНе, Институте горного дела СО Академии Наук СССР, Горном институте Кольского филиала Академии Наук СССР, Институте физики и механики горных пород Академии Наук Киргизской ССР, Институте геотехнической механики Академии Наук УССР, Институте горного дела Академии Наук Казахской ССР, отраслевых научно-исследовательских институтах — горной геомеханики и маркшейдерского дела, горного дела им. А. А. Скочинского, Гидропроекте, а также в горных вузах — Московском, Ленинградском и Днепропетровском. [1]

3. Предмет и сущность геомеханики.

Прежде, чем говорить о геомеханике, необходимо вспомнить  самое общее определение наиболее всеобъемлющей науки о закономерностях окружающего нас мира - физики. Оно звучит так:

Физика - наука, изучающая наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и  законы её движения.

С точки зрения изучаемых процессов  или форм движения материи различают  механическое движение, тепловые процессы, электромагнитные явления, гравитационные и т.д. Соответственно этому в физике выделяют классическую механику и механику сплошных сред, термодинамику, электродинамику, теорию тяготения, квантовую механику и квантовую теорию поля и др. Здесь в принципе уместно заметить, что все эти подразделения в существенной степени условны и именно поэтому очень часто границы между ними весьма размыты и на наших глазах выделяются в большом количестве так называемые пограничные науки.

Одновременно с этим всё время происходит дробление и выделение новых наук с точки зрения предмета исследования. Именно с этой точки зрения в 40-60-х годах выделился комплекс наук по общим названием «геофизика», изучающих физические свойства Земли в целом и физические процессы, происходящие в её твёрдых сферах, а также в жидкой и газовой оболочках. Затем из этого комплекса оформилась в самостоятельный раздел «Физика горных пород и процессов», которую в настоящий момент считают одной из фундаментальных частей горной науки, как базовой системы знаний современной технологии горного дела.

Физика горных пород и процессов, занимается изучением физических свойств горных пород и породных массивов при их взаимодействии с естественными и искусственно создаваемыми физическими полями в ходе проведения горных работ, в частности, при добыче полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений.

Нечто подобное можно наблюдать  и для отдельных частей физики, в частности, для её раздела «механика», которая ещё в конце XIX в. выделилась в самостоятельную науку со своим предметом исследования, специфическими методами и областями применения. Здесь в последние годы, также с точки зрения предмета исследований, сформировалась специальная область «геомеханика», изучающая в отличие от геофизики, только механические процессы в земной коре, связанные с гравитацией, тектоникой, сейсмическими и другими природными явлениями, а также производственной деятельностью человека.

Очевидно, что геомеханика должна рассматриваться, вообще говоря, как часть общей механики подобно тому, как физика горных пород и процессов является частью общей физики или одной из физико-технических наук. Вместе с тем геомеханике наряду с традиционными подходами, принятыми для общей механики, свойственны специфические методы и области применения, связанные с особенностями предмета её исследования, а именно, горными породами и массивами.

Одним из научных направлений  геомеханики является «механика  горных пород», задачи которой по существу соответствуют задачам геомеханики, но отличаются масштабом рассматриваемых явлений. В частности, если для геомеханики характерным объектами являются крупномасштабные объекты и явления типа континентов, многокилометровых толщ земной коры и др., то для механики горных пород (её иногда называют также «горной геомеханикой») предметом исследований большей частью являются породные массивы в масштабе одного или группы горных предприятий, размеры которых определяются главным образом, степенью влияния производственных процессов.

Современный период развития горного дела в мире характеризуется  общей тенденцией роста масштабов  добычи полезных ископаемых. Весьма показателен в этом отношении опыт работы ОАО «Апатит». К настоящему времени объёмы и массы перемещённых и извлечённых пород и руд оцениваются несколькими миллиардами тонн, что уже сопоставимо с действием геологических процессов. Именно поэтому в последнее время границы между геомеханикой и механикой горных пород всё более размываются и в последние годы всё большее употребление находит единственный термин «геомеханика», который постепенно вытесняет термины «механика горных пород» и «горная геомеханика» и употребляется как для описания глобальных явлений, так и для явлений регионального и локального масштабов.

Геомеханика, как это  следует из наименования, является одной из наук о Земле. И в этом отношении находится в одном  ряду с другими науками о Земле, такими как география, геодезия, геология. Со всеми ними геомеханика имеет тесные связи, особенно с геологией, а именно с её разделом - инженерная геология.

Геомеханика в широкой  степени использует методы и результаты других фундаментальных наук, в первую очередь, математики, в частности математического анализа, прикладной математики, математического моделирования и др.; при натурных исследованиях широко применяются достижения смежных разделов физики и химии.

4. Основные направления и задачи геомеханики.

Если оценивать геомеханику с точки зрения деления наук на фундаментальные и прикладные, то по отношению к механике вообще, геомеханика является прикладной наукой, а по отношению к горной науке - одной из фундаментальных.

Исходя из этого, геомеханику можно определить как науку о прочности, устойчивости и деформируемости массивов горных пород, горнотехнических объектов и сооружений в поле природных и техногенных сил, т.е. сил, вызванных влиянием деятельности человека, в частности, горных работ.

Главной инженерной задачей геомеханики является научное обоснование и разработка способов управления механическими процессами в породных массивах для обеспечения безопасности горных работ и повышения производительности и надёжности технологических процессов.

При этом основные процессы, изучаемые геомеханикой, можно подразделить на три большие группы:

• формирование напряжённо-деформированного состояния массивов пород и его изменение в связи с проведением выработок;
• динамические процессы и явления в массивах горных пород;
• сдвижение горных пород, проявляющееся в самых разнообразных формах.

Здесь просматривается  аналогия с общей структурой механики. В частности, первая группа по своей  сути представляет собой статику, вторая группа - динамику и третья - кинематику.

Геомеханика - активно  развивающаяся наука, область её интересов постоянно расширяется, усложняются задачи, которые приходится решать методами геомеханики. В частности, одной из наиболее «молодых» проблем  в геомеханике является проблема организации постоянного мониторинга состояния массива пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений для решения различных вопросов, в том числе и для оценки степени экологического воздействия на окружающую среду. Эта проблема для своего решения требует не только специальной аппаратуры, но и принципиально новых научных подходов.

5. Объект и общая методология исследований в геомеханике.

В соответствии с приведенным  выше определением геомеханики, основным объектом исследований в геомеханике является породный массив, а точнее, механические процессы, происходящие в массиве и связанные, главным образом, с проведением в нём горных выработок.

Массивы горных пород  образуют особые физические среды, состояние  которых определяется тремя составляющими - свойствами горных пород, слагающих их; структурными особенностями и естественным напряженным состоянием.

Поскольку для всех указанных  составляющих степень неоднородности достаточно высока, то в целом и  для массивов неоднородность существенно выше, чем для любых других искусственных или даже естественных материалов.

Эта существенная неоднородность массивов определяет чрезвычайно широкую  изменчивость характеристик пород  и заставляет применять специфические  приёмы к изучению свойств и закономерностей их изменения в зависимости от рассматриваемых объёмов, режимов силовых воздействий, времени воздействия и т.д.

При такой специфике  первым непременным этапом, иногда весьма продолжительным по времени, является непосредственное определение  свойств пород при различных условиях. Затем по мере накопления результатов испытаний конкретных пород и в конкретных условиях наступает следующий этап - этап обобщений и здесь весьма актуальной становится задача систематизации горных пород по свойствам с тем, чтобы уже без проведения специальных исследований было возможно прогнозировать те или иные процессы и явления. Систематизация горных пород по свойствам носит название классификации.

Рассмотренный подход к  изучению свойств горных пород весьма характерен и практически без изменений применим и к другим вопросам геомеханики - исследованию напряжённо-деформированного состояния, разработке теории динамических проявлений горного давления, вопросам сдвижения горных пород и др.

Вместе с тем в  геомеханике первостепенное значение имеет анализ характера и форм проявления механических процессов в различных горно-геологических условиях ведения горных работ. При этом особую важность приобретают натурные наблюдения и инструментальные методы измерений с целью определения основных параметров изучаемых процессов в конкретных условиях: напряжений, деформаций, сдвижений горных пород и их изменения в зависимости от основных действующих факторов. Данные, получаемые из натурных исследований, позволяют типизировать изучаемые явления и процессы, уяснять их общий механизм и физическую сущность и проводить дальнейшие теоретические обобщения, устанавливать допустимую степень схематизации задач.

Учитывая весьма высокую  неоднородность массивов горных пород  и разнообразие горно-геологических  условий, которые достаточно сложно описывать строгими математическими закономерностями для геомеханики в большей степени, чем для других разделов механики, характерно широкое использование методов моделирования, позволяющих выявить и оценить в исследуемых процессах роль различных действующих факторов и получить значения необходимых параметров даже при невозможности строгого решения задач аналитическими методами.

Вместе с тем всё  большее применение в геомеханике  находят и аналитические методы, что объясняется, в первую очередь, их развитием, а также общим прогрессом в понимании явлений геомеханики и степени воздействия отдельных факторов. При этом очень часто используют комплексные подходы, когда в качестве граничных условий при постановке аналитических задач используются результаты натурных наблюдений и моделирования.

Вообще в геомеханике  при такой высокой степени  неопределённости исходных данных и  начальных условий зачастую нецелесообразно  ставить задачи с целью получения  точных решений. Более существенно  иметь результаты, отражающие главные принципиальные зависимости и которые потому лишь с определённой степенью приближения и с некоторой вероятностью соответствуют наблюдаемым явлениям.

Речь идёт о предрасчёте  основных параметров каких-либо процессов  с весьма невысокой точностью, но вполне удовлетворяющей практику или даже о получении чисто качественных результатов - например, о прогнозировании форм и характера проявления процессов геомеханики в тех или иных конкретных условиях, их изменении во времени и в пространстве, об определении оптимальных условий ведения горных работ.

Всё сказанное позволяет  сформулировать общую методологию  геомеханики:

общая методология  геомеханики состоит в широком  использовании и анализе натурных наблюдений и измерений с одновременным  привлечением методов и приёмов моделирования и аналитических исследований на базе теоретических положений из основных разделов современной механики, других математических и физических наук.

6. Современное развитие геомеханики.

В совремённой геомеханике  широко используются понятия механики сплошной среды, в основу которой положены представления о материальных телах как «о некоторой субстанции, непрерывно заполняющей объем геометрического пространства и наделенной определенными физическими свойствами, отражающими статистические закономерности для реальных физических сред».

Введенное предположение  о сплошности среды позволяет  наделять бесконечно малые объемы тел  свойствами среды и эффективно использовать аналитический аппарат дифференциального  и интегрального исчисления. В частности, напряжения и перемещения отдельных точек среды представлять в виде некоторых функций координат и времени, непрерывных и дифференцируемых вплоть до такого порядка производных, который обеспечивал бы требуемую точность решения задачи.

Наряду с моделями сплошных сред для описания деформирования массивов горных пород используют модели дискретных сред. В этом случае среду представляют в виде совокупности отдельных частиц, каждая из которых, взятая в отдельности, обладает всеми свойствами твердого тела. Вместе с тем силы сцепления между отдельными частицами отсутствуют вообще, либо настолько малы, что ими можно пренебречь.

До недавнего времени  центральным понятием в геомеханике  являлось понятие «горное давление». Именно с ним связывались основные процессы геомеханики. Вопрос отыскания и формулирования определения, наиболее точно и строго отражающего это понятие был неоднократно предметом обсуждений и публичных дискуссий на различных кворумах и в научно-технической литературе. Большинство специалистов, предлагая различные формулировки, так или иначе связывало его с понятием силы, имея в виду объёмные силы (в частности, силы тяжести), объективно существующие в массиве пород.

В настоящее время  этот термин утратил своё значение, употребляется лишь как образное выражение с широким качественным смыслом первопричины всех механических явлений в массиве пород.

Современным термином является термин «напряженно-деформированное состояние массива пород», исчерпывающе отражающее состояние массива как при наличии выработок, так и при их отсутствии. В последнем случае говорят о начальном или естественном напряженно-деформированном состоянии ненарушенного массива пород, т.е. до проведения горных работ.

Вместе с тем следствием отживающего термина «горное  давление» является до сих пор широко используемое понятие «проявления горного давления», под которым понимают деформации, сдвижения и разрушения горных пород, а также результаты силового взаимодействия между породами и крепью, другими словами, результаты действия процессов геомеханики.

Также достаточно широко используется понятие применительно  к тем или иным классам систем разработки месторождений полезных ископаемых. Весьма часто термин «управление горным давлением» равнозначен термину «управление кровлей», особенно это характерно для систем разработки пластовых месторождений. В последнее время всё чаще вместо термина «управление горным давлением» употребляют более общее понятие «управление состоянием массива горных пород», понимая при этом проведение некоторого комплекса мероприятий, направленного на поддержание в работоспособном и безопасном состоянии выработок и призабойных зон, где непосредственно располагаются люди и механизмы для добычи полезного ископаемого.

Список литературы

1. Горная энциклопедия [электронный ресурс http://www.mining-enc.ru/g/gornaya-geomexanika/]
2. Б.Я. Пукшанский “Методология науки”, СПГГИ, 2003
3. В.В. Ильин “Философия и методология науки”, СПб, 2002
4. А.И. Арсентьев, “Диалоги о горной науке” СПбГГИ, 1999
5. Ю.Д. Дядькин “История горной науки и техники”, СПбГГИ, 1998
6. Маньковский Г. И., Горная геомеханика и теория состояния горных пород, «Вести. АН СССР», 1963.
7. Крупенников Г. А., О направлениях и постановке аналитических исследований в механике горных пород, «Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых», 1966.