При добыче горных пород большинство процессов, проходящих в горных породах, скрыто от глаз людей. Человек наблюдает лишь их конечный итог, а между тем эти явления могут принести нежелательный эффект. Вследствие этого важным является определение деформационных процессов протекающих в горных породах. С применением новейших исследований в этой области ситуацию удается исправить, но данная проблема остается актуальной и по сей день, а точность прогноза динамических явлений пока недостаточна.

Кроме того, важным является способ добычи полезного ископаемого, так как при различных способах добычи деформационные процессы протекают по-разному и исследователи при этом работают с различными объектами:

1. Подземный способ — целики, кровля и т. д.

2. Открытый способ — прибортовые массивы, конструктивные элементы системы разработки.

А нализ существующих методов исследования деформационных процессов в горных породах.

Существуют два класса методов нахождения механических свойств породных массивов: экспериментальные и аналитические.

Предметом исследования деформационных процессов в горных породах является напряженное состояние породных массивов и перераспределение деформационных процессов при производстве горных пород. Экспериментальные способы определения напряжений в породных массивах подразделяются на: тензометрические и геофизические.

Первые из них основаны на методе разгрузки, а именно на измерении упругих деформаций при разгрузке элемента массива от действующих на него напряжений и упругом восстановлении им первоначальных размеров и формы. При использовании данного метода исследователи предполагают свойства горных пород известными и тогда по формулам теории упругости определяют напряжения по полученным ранее деформациям. Основой данного метода является теорема о разгрузке А. А. Илюшина, а обосновал его применение для породных массивов и на практике Г. Н. Кузнецов.

Чтобы не выполнять каждый раз комплекс трудоемких измерений для слежения за перераспределением напряжений по мере добычи горных пород применяют деформаторы, размещаемые в пробуренных скважинах и измеряющие изменения диаметра скважин в различных направлениях двух видов:

1. Упругие, активно сопротивляющиеся деформациям породного массива и таким образом измеряющие деформации.

2. Податливые, фиксирующие деформации стенок скважины, не оказывая сопротивления.

Недостатком такого метода является то, что горные породы после их нагружения могут не восстановиться полностью, тогда все расчеты проведенные исследователями будут содержать в себе ошибку.

Геофизические методы основаны на измерении механических свойств напряженного состояния породы и являются более производительными. Из всего комплекса данных методов наиболее полно разработанным является импульсный сейсмический метод, основанный на построении зависимости скорости затухания упругих волн, которые возбуждаются в массиве, от напряженного состояния горных пород, входящих в данный массив. Во большом количестве пород присутствует увеличение скорости продольных волн с увеличением напряжений, действующих на нее, при этом стоит отметить, что такое увеличение происходит в том же направлении, что и увеличение нагрузки на породу, при незначительном изменении в других направлениях. К сожалению в некоторых горных породах данный эффект не наблюдается, следовательно к горным породам, для которых при нагружении до разрушающих напряжений скорость ультразвуковых волн не возрастает или увеличивается незначительно, данный метод не применим.

Следует отметить и другие геофизические методы, такие как:

1. Магнитный, основанный на изменении магнитной восприимчивости породы с изменением напряжений, действующих на нее.

2. Радиометрический, описывающий взаимосвязь различного поглощения радиоактивных излучений горными породами в зависимости от их плотности.

3. Электрометрический метод, использующий зависимость удельного электрического сопротивления породы, от ее напряженного состояния. Но удельное электрическое сопротивление чувствительно к влажности горных пород и степени минерализации подземных вод, следовательно, применение этого метода ограничено условиями постоянной влажности и отсутствием притоков воды.

Все экспериментальные методы, основаны на различного рода измерениях, вследствие чего, результаты, полученные на их основе, могут содержать в себе ошибку.

Все деформационные процессы, возникающие в горных породах при их добыче, протекают различно для разных способов добычи, поэтому аналитические исследования расходятся с результатами, полученными экспериментально. Для подземного способа добычи основным объектом исследования становятся целики, кровля и другие грузонесущие элементы, для которых ищутся напряжения.

Так решение проблемы нахождения деформационных характеристик целиков позволит предсказать их разрушение, что в свою очередь поможет более экономно использовать полезное ископаемое. На пластовых месторождениях, к числу которых относится и большинство калийных, наибольшее распространение в настоящее время имеют камерные системы разработки.

К недостаткам камерной системы с поддерживающими целиками» в первую очередь, необходимо отнести большие (до 60–70%) потери полезного ископаемого в недрах. Величина потерь при прочих равных условиях зависит от глубины разработки, с увеличением которой приходится увеличивать размеры междукамерных целиков.

Камерно-столбовая система разработки предполагает ведение очистных работ в две стадии. На первой стадии отрабатывают камеры, ширина которых значительно меньше предельной, а ширина целиков — больше. На второй стадии целики извлекаются частично или полностью, что позволяет существенно сократить потери руды в целиках. В то же время при отработке целиков увеличивается объем работ по креплению и управлению кровлей, что требует увеличения затрат на поддержание подготовительных выработок.

Следовательно, если оставляемые целики излишне больших размеров, это ведет к неоправданным потерям запасов руды в недрах, в то время как при недостаточном размере целиков их разрушение может вызвать лавинообразное разрушение целиков на соседних участках. Данная проблема применительно к соляным месторождениям была решена К. В. Халкечевым.

Основные аналитические методы нахождения деформационных свойств при подземном способе добычи полезных ископаемых основаны на механике деформируемого твердого тела, методы которой были перенесены в курс механики горных пород.

При решении объемной задачи линейной теории упругости возникают проблемы, вырастающие в несколько раз в нелинейной теории, поэтому некоторые аналитические методы основываются на рассмотрении задачи плоской деформации с осевой симметрией для нелинейно деформируемого изотропного породного массива. Ряд исследователей сводит задачу нахождения напряжений к модели о полости в твердом теле со структурой, при этом авторы принимают ряд допущений, такие как наличие концентрации напряжений на неоднородностях в среднем мало искажает поля в теле подвергающемся нагружению и ими можно пренебречь. Кроме этого авторы используют утверждение о том, что скорость релаксации напряжений на неоднородности пропорциональна величине напряжений и обратно пропорциональна размеру неоднородности, требующее обоснования.

Для открытого способа добычи основными объектами являются прибортовые массивы, для которых разрабатывается система контроля напряжено-деформируемого состояния, и характер напряженно-деформируемого состояния конструктивных элементов системы разработки. Авторы чаще всего применяют геофизические методы, физическое моделирование, используя оптически активные материалы, и сталкиваются с реализацией неоднородного поля напряжений, обусловленную неполной заглубленностью горных пород на контуре, данный аспект необходимо помнить при аналитическом способе решения данной задачи.

Проблемы, возникающие в теории механических процессов породных массивов, связаны с неточным определением или в неопределенности понятия породного массива, как физического объекта с внутренним строением и связи строения с механическими свойствами, но при этом возникает проблема осреднения при переходе от упругих характеристик горных пород к средним характеристикам всего породного массива. Экспериментально данную проблему решать нельзя, поскольку размер испытываемого объема в массиве должен быть увязан с масштабами неоднородности, который может быть непомерно большим.

Аналитически данная проблема была решена в работе, но в данной работе не рассмотрено влияние сильно коррелированных ориентаций в пространстве структурных и текстурных составляющих на свойства породного массива в целом.

А нализ существующих методов определения деформационных свойств горных пород.

Для горных пород возникающая проблема осреднения решается определением упругих характеристик опытным путем для образцов, линейные размеры которых много больше размеров отдельных зерен.

Экспериментальные методы нахождения механических характеристик горных пород подразделяются на:

1. Динамические, основанные на измерении скоростей упругих волн в образцах горных пород.

2. Статические, использующие полученные диаграммы деформация-напряжение, а кроме этого и определение пластических и реологических свойств, путем нагружения образцов горных пород.

При применении этих методов возникает ряд затруднений: различие результатов полученных различными методами и зависимость результатов от измерительной базы. Следовательно, экспериментальные методы позволяют получить с достаточной точностью значения механических свойств отдельных зерен горных пород, однако при испытании образцов произвольных объемов, можно получить свойства только этих образцов, а не всей породы в целом.

Для нахождения упругих свойств кристаллических образцов разработаны теоретические процедуры нахождения средних характеристик или эффективных упругих констант, такие как:

Осреднение по Фойгту, дающее осредненное значение тензора упругих модулей для поликристаллов, для этого его записывают в расчетной системе координат и осредняют по всем возможным кристаллографическим осям.

Осреднение по Ройссу, основанное на осреднении тензора упругой податливости. Сравнение двух этих методов приводит к различным результатам. Выход из данной ситуации предложил Хилл, предлагая считать упругие модули равными среднему арифметическому, полученных осреднением Фойгта и Росса.

Другой метод, основанный на осреднении на базе определителя матрицы упругих констант, был предложен Александровым К. С.

Для всех описанных выше методов главной целью является определение средних упругих модулей поликристаллов, на основе осреднения упругих параметров зерна по всем возможным ориентациям и математического сведения к интегрированию по углам в явном и неявном виде, что является недостатком.

Кнеером был предложен метод самосогласования, использующий модель анизотропного зерна, заключенного в изотропную матрицу с неизвестными эффективными свойствами. Данный метод обладает недостатком, а именно не позволяет получить явное выражение относительно эффективных упругих параметров.

Вариационный метод, предложенный Хашином и Штрикманом и применяемый впоследствии в ряде других работ, основан на принципе минимизации дополнительной энергии, но применение его дает лишь неравенство, показывающее границы значений эффективных модулей упругости.

И. М. Лифшицем и Л. Н. Розенцвейгом впервые был применен метод корреляционного приближения теории случайных функций для расчета эффективных упругих модулей, дающий возможность искать решение задачи в виде разложения по малым параметрам, которые вводятся как относительная разность упругих модулей и податливостей. В связи с этим использование этого метода ограничено слабой анизотропией зерен поликристалла.

К. В. Халкечевым была проведена работы по нахождению механических свойств большого класса горных пород в зависимости от их внутреннего строения на структурном и текстурном уровне, а также расчет их элементарного объема, позволяющего полученные характеристики на нем, переносить на иерархический уровень выше.

Все аналитические методы нахождения деформационных свойств горных пород не учитывают анизотропности этих свойств обусловленную сильной корреляцией ориентациии в пространстве структурных и текстурных составляющих.