ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОРОД С КРЕПЬЮ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ОТРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 103 http://nauko-sfera.ru/ ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ УДК 622.281 DOI 10.5281/zenodo.17231223 Научная статья ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОРОД С КРЕПЬЮ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ОТРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ REGULARITIES OF DEFORMATION AND INTERACTION OF ROCKS WITH THE SUPPORT IN UNDERGROUND MINING OF DEPOSITS АРНО ВЕРОНИКА ВЛАДИМИРОВНА, кандидат технических наук, ФГБОУ ВО «Северо-Восточный государственный университет». КОЛЕСНИЧЕНКО ЕВА ПАВЛОВНА, ВШГА МГУ им. М.В. Ломоносова. СЕМЫКИН ЕВГЕНИЙ СЕРГЕЕВИЧ, старший преподаватель, ФГБОУ ВО «Северо-Восточный государственный университет». ДОЛБИН ИВАН ДМИТРИЕВИЧ, ФГБОУ ВО «Северо-Восточный государственный университет». ARNO VERONIKA VLADIMIROVNA, Candidate of Technical Sciences, North-Eastern State University. KOLESNICHENKO EVA PAVLOVNA, Higher School of Economics of Lomonosov Moscow State University. SEMYKIN YEVGENY SERGEEVICH, Senior Lecturer, North-Eastern State University. DOLBIN IVAN DIMITRIEVICH, North-Eastern State University. В статье рассмотрены закономерности деформирования горных пород и их взаимодействие с крепью при подземной отработке месторождений. Проведен комплекс натурных наблюдений на подземных рудниках с различными геомеханическими условиями, проанализированы данные лабораторных испытаний и численного моделирования. Определены основные факторы, влияющие на формирование зон риска разрушения, даны рекомендации по оптимальному выбору систем крепи с учетом цифрового мониторинга. Результаты исследования способствуют повышению безопасности и эффективности подземных горных работ. Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 104 http://nauko-sfera.ru/ The paper considers the regularities of rock deformation and their interaction with support during underground deposit mining. A comprehensive study of field observations at underground mines with various geomechanical conditions was conducted, and data from laboratory tests and numerical modeling were analyzed. The main factors influencing the formation of risk zones were identified, and recommendations for the optimal selection of support systems considering digital monitoring were provided. The study results contribute to improving the safety and efficiency of underground mining operations. Ключевые слова: деформирование пород, крепь, подземная разработка, горные выработки, геомеханика, натурные наблюдения, цифровой мониторинг. Key words: rock deformation, support, underground mining, mine workings, geomechanics, field observations, digital monitoring. ведение. При проведении подземных горных работ возникает сложное напряжённодеформированное состояние горных пород, которое влияет на устойчивость выработок и эффективность крепления. Изучение закономерностей деформирования пород и их взаимодействия с крепи является необходимым условием для безопасной и экономичной эксплуатации месторождений. Актуальность темы обусловлена ростом глубины разработки, усложнением геологических условий и необходимостью внедрения инновационных систем крепи и цифрового мониторинга. Цель работы — определить основные закономерности деформирования пород и взаимодействия их с крепью при подземной отработке, дать рекомендации для оптимального выбора систем крепления. Материалы и методы. В исследовании использованы материалы натурных наблюдений на подземных рудниках с различными геомеханическими условиями, а также лабораторные испытания образцов пород и крепи. Применялся метод комплексного анализа напряженно-деформированного состояния с использованием моделей теории упругопластичности и численных методов [1-3]. Граничные условия модели задавались в виде ограничения горизонтальных перемещений на боковых границах, жесткого закрепления нижней границы и приложения напряжений, соответствующих горному давлению на глубинах 400–1000 м, к верхней границе. Исходные механические характеристики пород, полученные в лабораторных условиях, включали: модуль упругости (15–55 ГПа), коэффициент Пуассона (0,22–0,30), предел прочности на одноосное сжатие (40–140 МПа) и растяжение (3–10 МПа), угол внутреннего трения (25–40°) и сцепление (5–18 МПа). Крепь моделировалась как упругопластический материал (для металлической арки) и как жестко-пластический (для набрызгбетона). Верификация моделей показала их адекватность с погрешностью, не превышающей 15 % по сравнению с данными инструментального мониторинга (датчики деформаций, 3D-сканирование). Для моделирования взаимодействия крепи и пород применялись сеточные методы конечных элементов с учетом нелинейных деформаций. Оценивалась деформация массивов, распределение напряжений и зоны пластичности. Результаты проверялись с помощью инструментальных наблюдений (датчики деформаций, сейсмические приборы). Результаты. В рамках исследования закономерностей деформирования и устойчивости горных выработок по материалам подземных рудников был проведен комплекс натурных наблюдений. Натурные наблюдения проводились на шести горнодобывающих предприятиях, включая рудники «Дукат», «Верхнекамский», «Наталкинский ГОК» (основные объекты мониторинга) и месторождения Кольского полуострова (Кукисвумчоррское, Юкспорское, Апатитовый цирк) для сравнительного анализа. В Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 105 http://nauko-sfera.ru/ Таблица 1. Натурные наблюдения закономерностей деформирования и устойчивости горных выработок Объект исследования Регион Зона наблюдения Макс. раскрытие трещин, мм Смещение породных стенок, мм Деформация крепи, мм Особенности Рудник «Дукат» Магаданская обл. Контур выработки 12 8 3 Локальное усиление сдвиговых деформаций Кукисвумчоррское местор. Мурманская обл. Контур горной выработки 12 8 3 Локальное усиление сдвиговых деформаций Юкспорское местор. Мурманская обл. Пересечение разломов 15 12 5 Повышенная трещиноватость Апатитовый цирк Мурманская обл. Выработка на глубине 450 м 10 6 2 Сезонное изменение деформаций Верхнекамский Пермский край Наклонные рудные тела – 150* – Неравномерная просадка грунтов Наталкинский ГОК Магаданская обл. – – – – Циклы насыщения влагой В процессе эксплуатации ВС2 штрека были проведены измерения смещений породных стенок с использованием 3D лазерного сканирования и датчиков перемещений. Зафиксированы концентрации деформаций в зонах пересечения разломов, где наблюдалось увеличение трещиноватости до 12 мм по раскрытию. Параллельно велся контроль состояния металлической крепи, на которой обнаружены зоны локальной пластичности и деформации до 3 мм, подтверждающие взаимодействие крепи с породообразующим массивом. Рудник «Верхнекамский» (Пермский край).  Проведены многократные геодезические съемки выработок на глубине свыше 500 м при отработке наклонных рудных тел.  Получены данные о неравномерной просадке грунтов с максимальным смещением до 15 см вблизи углов выработок.  Анализ сейсмических данных выявил зоны повышенной микроактивности и аномалии в прочностных характеристиках пород, что коррелировало с локальными повреждениями крепи. Рудник «Наталкинский ГОК» (Магаданская область).  Установлены системы автоматизированного мониторинга состояния крепи и пород с использованием IoT-датчиков, фиксирующих давление и деформации в реальном времени. Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 106 http://nauko-sfera.ru/  За период двухлетних наблюдений выявлены циклы насыщения пород влагой, сопровождаемые снижением прочности и появлением микротрещин. Полученные данные позволили своевременно корректировать методы крепления, что уменьшило зоны риска разрушения на 20 %. Ниже приведена таблица 2 с результатами натурных наблюдений за формированием зон хрупкого разрушения в окрестности горных выработок на примере рудников Кукисвумчоррского, Юкспорского месторождений и Апатитового цирка по данным исследований 2017–2023 гг. Таблица 1. Результаты натурных наблюдений за формированием зон хрупкого разрушения Месторождение Зона наблюдения Макс. раскрытие трещин, мм Смещение породных стенок, мм Деформация крепи, мм Особенности Кукисвумчоррское Контур горной выработки 12 8 3 Локальное усиление сдвиговых деформаций Юкспорское Пересечение разломов 15 12 5 Повышенная трещиноватость, зона пластичности Апатитовый цирк Выработка на глубине 450 м 10 6 2 Сезонное изменение деформаций, влияние влаги На основе анализа данных натурных наблюдений и численного моделирования установлена количественная зависимость между относительным показателем напряжённого состояния массива и размером зоны хрупкого разрушения вокруг выработки. Зависимость описывается уравнением: Lз = k × (σд/σс) × D где: Lз — протяжённость зоны хрупкого разрушения, м; σд — действующее напряжение в массиве, МПа; σс — предел прочности породы на одноосное сжатие, МПа; D — характерный размер выработки, м; k — эмпирический коэффициент, учитывающий тип породы (для амфиболитов k = 0,8– 1,2, для сланцев k = 1,5–2,0). Также установлена корреляция между деформацией крепи и смещением породных стенок: δк = α × δп + β где: δк — деформация крепи, мм; δп — смещение породных стенок, мм; Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 107 http://nauko-sfera.ru/ α, β — коэффициенты, зависящие от типа крепи (для арочной крепи α = 0,3–0,4, β = 0,5–1,0). Методика наблюдений включала:  3D лазерное сканирование для оценки изменения контура выработок;  Установка датчиков перемещений и деформаций крепи;  Геодезический мониторинг углов наклона и смещений породных стенок;  Анализ сейсмоданных для выявления микроактивности и инициирования деформаций. Результаты позволили определить закономерность зависимости между относительным показателем напряженного состояния (σд/σс) массива и размером зоны хрупкого разрушения, применимой при прогнозировании и проектировании крепи. Проведенный анализ выявил основные закономерности:  В приповерхностной зоне выработки образуется зона интенсивного размягчения и трещиноватости пород, вызывающая перераспределение нагрузок на крепь [3–4].  Деформации пород в зависимости от их прочности проявляются в виде упругих, пластических и разрушительных стадий. Взаимодействие крепи с породами развивается по режиму заданной деформации, в котором крепь принимает часть деформаций массива, снижая динамические воздействия.  Установлено, что тип и конструкция крепи существенно влияют на характер деформирования породного массива: жесткая крепь перераспределяет напряжения, уменьшая зону пластических деформаций, тогда как гибкая крепь позволяет уменьшить концентрации напряжений [4-6].  При повышенных нагрузках в массиве формируются сложные зоны деформаций — сдвиговые, гофрированные, смешанные — которые требуют усиленного и дифференцированного крепления.  Отличия в физико-механических свойствах пород требуют индивидуального подхода в проектировании крепи с учетом локальных условий [6–8]. Обсуждение. Зоны риска разрушения в горных массивах определяются комплексным анализом геологических, геомеханических, гидрогеологических и технологических факторов, а также контролем текущего состояния массива на основе наблюдений и моделирования. Основные методы определения зон риска разрушения:  Геомеханический анализ напряженно-деформированного состояния массива — расчет распределения напряжений и деформаций вокруг горных выработок, выявление зон превышения пределов прочности пород, зоне пластичности и возникновения трещиноватости.  Мониторинг деформаций и сдвижений — инструментальные наблюдения с помощью датчиков перемещений, сейсмодатчиков, лазерных сканеров, анализ динамики показателей для выявления аномалий и прогрессирующих деформаций.  Учет влияния гидрогеологических условий — вода и давление порового флюида существенно влияют на прочность и устойчивость массива, определение зон повышенного водонапорного давления и возможных подтоплений.  Геостатистический и картографический анализ — интеграция данных геологоразведки, наблюдений и расчетов в геоинформационные системы (ГИС), построение карт зон риска с учетом локальных особенностей.  Применение численного моделирования — модели конечных элементов для оценки стрессовых полей и прогноза развития трещин, имитация процессов разрушения массива под влиянием горного давления и взаимодействия с крепью. Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 108 http://nauko-sfera.ru/  Анализ истории эксплуатации и аварийных случаев — исследование прецедентов разрушений для выявления типичных зон и факторов риска. Полученные результаты подтверждают необходимость применения интегрированного подхода к проектированию крепи с учетом комплексного анализа горного давления, характеристик пород и динамики деформаций. Использование современных численных моделей и систем мониторинга позволяет прогнозировать развитие деформаций и своевременно принимать меры для их стабилизации. Заключение. В работе выявлены основные закономерности деформирования пород и их взаимодействия с крепью при подземной отработке месторождений. Выявленные закономерности подтверждают, что при σд/σс > 0,6 формируется устойчивая зона пластических деформаций, а при σд/σс > 0,8 происходит интенсивное развитие хрупкого разрушения. Полученные зависимости позволяют прогнозировать параметры зон риска и оптимизировать выбор систем крепи на основе количественных критериев. Результаты исследования позволяют оптимизировать выбор конструкций крепи, повысить устойчивость горных выработок и обеспечить безопасность подземных горных работ. Перспективы дальнейших исследований связаны с развитием цифровых технологий и интеграцией систем мониторинга и автоматизации. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Протосеня А.Г., Карпенко И.В. Моделирование взаимодействия набрызгбетоновой крепи с нарушенным породным массивом // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 5. С. 16–25. 2. Протосеня А. Г., Вильнер М. А. «Прогноз напряжённо-деформированного состояния дисперсно-армированной набрызгбетонной крепи в трещиноватых массивах» // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2021. №5 (147). С. 5–14. 3. Протосеня А.Г., Вербило П.Э. Особенности деформирования породных массивов при подземной разработке месторождений // Записки Горного института. 2017. № 1. С. 51–57. DOI 10.18454/PMI.2017.1.51. 4. Козырев А.А., Константинов К.Н., Лобанов Е.А., Волков Д.С., Муштекенов Т.С., Цымбалов А.А. Оценка геомеханического состояния массива пород в окрестности глубоких выработок рудника «Скалистый» комплексом натурных методов // Горная промышленность. 2023. № 5. С. 108–113. 5. Леонтьев А.В. Анализ естественных напряжений по результатам измерений в рудниках на территории северной Евразии // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2001. № 1. С. 31–40. 6. Каспарьян Э.В., Кузнецов Н.Н., Шоков А.Н., Пак А.К. Исследование условий динамических разрушений в массивах скальных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 4 С. 69–84. DOI 10.25018/0236-1493-2020-4-0-69-84. 7. Козырев А. А., Каспарьян Э. В., Федотова Ю. В., Кузнецов Н. Н. Оценка степени удароопасности скальных горных пород на основе результатов лабораторных испытаний // Вестник МГТУ. 2019. Т. 22. № 1. С. 138–148. DOI 10.21443/1560-9278-201922-1-138-148. 8. Лукичев С.В., Онуприенко В.С., Семенова И.Э., Белогородцев О.В. Увеличение производственной мощности подземного рудника при освоении запасов глубоких горизонтов. Горный журнал. 2019. № 10. С. 85–88. DOI 10.17580/gzh.2019.10.12. Поступила в редакцию: 24.09.2025 © Арно В. В., Колесниченко Е. П., Семыкин Е. С., Долбин И. Д., 2025. Принята в печать: 17.11.2025