Геомеханические основы мониторинга горного массива и освоение подземного пространства

Сырников, Николай Михайлович

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Геомеханические основы мониторинга горного массива и освоение подземного пространства
ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Геомеханические основы мониторинга горного массива и освоение подземного пространства"

\», V.

л.

Российская Академия Наук Институт динамики геосфер

На правах рукописи УДК 550.3+ 622.831

Сырников Николай Михайлович

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОНИТОРИНГА ГОРНОГО МАССИВА И ОСВОЕНИЕ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА.

Специальность 04.00.22 - Физика твердой Земли

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1997

Официальные оппоненты

Доктор физико-математических наук, академик РАЕН

Доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН

Доктор физико-математических наук, профессор

Савич А.И. Соболев Г.А. Кос поченко В.Н.

Ведущая организации: Горный институт Кольского Научного

Центра РАН

Защита диссертации состоится " ^ "^е-^ОчТ ^ ^ 199 "^г. в 10 часов на заседают диссертационного совета Д 200.39.01 при Институте динамики геосфер Российской Академии Наук (ИДГ РАН) по адресу: 117334 Москва, Ленинский проспект, 38, корпус 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИДГ РАН.

Автореферат разослан

■30

& /-я/

1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук

В.А.Рыбаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Предлагаемая работа направлена на изучение влияния крупномасштабной инженерной деятельности на процессы, происходящие в верхней часта земной коры и, в частности, в породном массиве и разработку нового подхода к мониторингу горного массива и подземных сооружений. Задачи настоящей работы напрямую связаны с актуальной проблемой геомехагапш -проблемой освоения подземного пространства.

В последние десятилетия во всем мире происходит непрерывное возрастание масштабов подземного строительства и использования подземного пространства для различных производственных и хозяйственных целей. Развитие атомной и гидроэнергетики, промышленного и транспортного строительства, подземные работы в горнодобывающих отраслях, развитие городских мегаполисов и требования охраны окружающей среды придают этим проблемам первостепенное значение. В будущем, с развитием научно-технического прогресса, ограниченностью в ряде случаев поверхностных площадей, необходимость использования подземного пространства неизмеримо возрастет.

Для эффективного использования подземных пространств необходимо решение ряда фундаментальных научных и прикладных задач. В перечень проблем освоения подземного пространства входят, в частности: разработка геомеханической модели породного массива, позволяющей решить проблему взаимодействия массива и подземного сооружения на основе развития методов теоретического описания поведения реальных породных массивов и совершенствования методов контроля состояния массива с применением геофизических аппаратурных комплексов; разработка теории и принципов создания новых технолопш при подземном строительстве; разработка теоретических положешш устойчивости и защиты подземных сооружении. Важным вопросом, требующим исследования, является устойчивость подземных сооружешш при сильных динамических воздействиях.

Крупные долговечные сооружения устойчивы в той мере, в которой устойчив горный массив, вмещающий сооружения или служащий его основанием. Земная кора и в современную эпоху находится в стадии формирования и обновления своих структур. Непрерывное, хотя и медленное, перемещение масс в недрах Земли является тем фоном, который необходимо учитывать при строительстве и эксплуа гащш долговременных инженерных сооружешш. Во-первых,

движение масс приводит к перераспределению напряжений внутри горного массива. Во-вторых, возведение сооружений на поверхности или внутри горного массива вызывает изменение его структуры и напряженного состояния, реакция на которую растягивается на весьма продолжительное время, превосходящее не только период строительства, но и период эксплуатации. В третьих, само существование сооружения является возмущающим природное равновесие фактором, что нуждается в геофизическом контроле и мерах предупреждения негативных последствий. Любое подземное сооружение в той или иной степени нарушает естественный режим горного массива и решение проблемы его долговременной устойчивости должно строиться на основе анализа масштабов и характера ШхМе-нешш, вносимых в естественные процессы при техногенном воз-денствш!. Разработке методов контроля и прогноза последствий такого вмешательства в природные процессы и посвящена данная работа.

ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Цель данной работы - создание метода изучения горного массива, дающего возможность прогнозировать проявление структуры и различить природные и техногенные процессы в структурно неоднородной среде, на основе расчетных моделей развитая деформационных процессов во времени и системы натурных измерений. Основные задачи исследований:

1. Разработка методики геомеханического мониторинга горного массива на основе сочетания 1шструментального контроля и расчетных прогнозов с использованием модели твердого тела с неод-нородностями.

2. Разработка инструментальных методов контроля устойчивости структурно неоднородного горного массива при естественных и техногенных воздействиях как части системы мониторинга массива и подземных сооружений.

3. Разработка методики моделирования деформационного режима на структурных неодаородностях земной коры, в частности, нарушения их устойчивости, приводящег о к опасным последствиям.

4. Разработка метода моделирования напряженного состояния в окрестности подземного сооружения, расположенного в отдельном "ответственном" блоке массива при мощном длиннопериодном динамическом воздействии.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. При проведении исследований использованы методики: -математического моделирования в том числе с использованием модели твердого тела с диссипативной структурой; -натурных измерений в горных выработках (измерения напряжений, относительных перемещений, деформаций, сейсмшш, сейсмо-акустнки и геопотенциала, анализ разрушений реальных горных выработок);

-анализ геологоструктурных особенностей массивов на различных масштабных уровнях;

-анализ данных натурных измерений как полученных автором, так и имеющихся в научной литературе.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Подход к проблеме мониторинга горного массива как части земной коры, основанный на совместном использовагаш инструментальных измерений и расчетов с использованием модели твердого тела с неоднородностями - разработанная расчетная модель дает возможность прогноза проявления динамических структур для выбора мест и временного масштаба измерений.

2. Представленные методы натурных измерений для исследования эффектов пространственных относительных движений отдельных блоков и процессов, предшествующих динамическим явлениям в зоне разломов, обладающие сравнительной простотой и информа-тивностыо. Результаты проведенных натурных измерений послужили основой для разработай представлешш о механизме исследуемых процессов.

3. Новая постановка проблемы взаимодействия массива с подземным сооружением, возводимым в его толще, с учетом дштгачсской структуры в окрестности сооружения - разработаные и апробиро-вашше на конкретных примерах методики расчетного прогноза динамической структуры дают возможность анализа технологических схем возведения сооружегшя и оценки временного запаздывания реакции массива.

4. Установленньш и обоснованный расчетами механизм возникно-вяшя динамических срывов по разломам и крупным структурным неоднородноегям в результате крупномасштабных горных работ. Установление циклических режимов внешнего воздействия на структурно неоднородный массив, приводящих к возрастанию растягивающих напряжешш на неоднородностях.

5. Метод моделирования напряженного состояния отдельного блока массива при длиннопериодном динамическом воздействии и способы искуствешюго формирования "ответственного" блока для размещения в нем подземного сооружения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

-предложен новый подход к проблеме геомеханического контроля горного массива и подземных сооружении, основой которого является совместное использование натурных измерений и расчетов с использованием механической модели твердого тела с неоднород-ностями;

-разработана расчетная модель деформируемой среды со структурой, позволяющая моделировать динамические структуры в массиве как в естественном деформационном режиме, так и при техног енном воздействии и отличить последствия инженерной деятельности от природных временных изменений; расчеты дают возможность целенаправленного использования инструментальных систем мошгго-ринга и разработки критериев отбора информации;

-новые результаты, полученные в натурных измерениях относительных перемещешш берегов разлома, вариаций геопотенциала и сейсмоакустической эмиссии с использованием разработанных методик, могут быть отнесены к уникальным - зарегистрированные процессы на крупных неоднородностях не описывались ранее в научной литературе.

-разработана расчетная методика прогноза возникновения и изменений во времени динамической структуры в массиве в окрестности подземных сооружений и на крупных структурных неоднородностях массива: расчетные методики позволили оценить реологические деформащш и параметры - напряженного состояния в окрестности подземного сооружения в процессе его строительства, а также обосновать механизм динамических срывов по крупным не-однородностям под воздействием горных работ;

-на основе анализа циклических режимов внешнего воздействия на структурно неоднородный горный массив выявлены режимы, приводящие к возрастанию растягивающих напряжений на неоднородностях, что позволило дать качественное объяснение эффекта увеличения фильтрации через основание плотины при резком спаде уровня водохранилища;

-разработан метод моделирования напряженного состояния отдельного блока массива, вмещающего подземное сооружение, при

мощном длшшопериодном динамическом воздействш! путем учета дополнительных массовых сил в статической задаче.

ДОСТОВЕРНОСТЬ ОСНОВНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ подтверждается:

- многолетними длительными комплексными измерениями в натурных условиях: результаты получены на целом ряде промышленных взрывов и других техногешплх воздействиях различными методами;

- сопоставлением данных численного моделирования с фактическими данными натурных наблюдений, полученных инструментальными методами и визуальными наблюдениями; в тех случаях, где возможно лишь качественное соответствие, получено хорошее согласие результатов моделнроваши с зарегистрированными эффектами;

- сравнением полученных результатов с данными аналогичных ис-следовашш в России и эа рубежом.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ. Предлагаемые методы геомеханического мониторинга предназначены для изучения поведения горного масива и контроля динамики его напряженно-деформированного состояния при естественных и техногенных воздействиях в геофизике, горном деле, строительстве крупномасштабных подземных сооружений, на эксплуатируемых нефтегазовых месторождениях, объектах захоронения промышленных отходов, анализе устойчивости оснований ответственных и уникальных ЗДа-шш.

Разработанная расчетная модель может быть использована при проектировании крупномасштабных сооружений - для выбора технологических схем, обеспечивающих снижение опасных последствий техногенного воздействия.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения работы были представлены на ряде всероссийских и международных научных конференций и совещаний, в том числе на V Семинаре "Аналитические методы и применаше ЭВМ в механике горных пород" (Новосибирск, 1985), VIII Международной конференции по буровзрывным работам (Балатонфюред, Венгрия, 1985), IX Международной конференции по буровзрывным работам (Гера, ГДР, 1988), Научно-техшгческом семинаре "Модели диссипации энергии тектонических движений в земной коре для задач сейсмогеодинами-ки (Москва, 1991), X Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993), I Международном семинаре "Напряжения в литосфере" (Москва, 1994), Всероссийской конфе-

решцш "Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке полезных ископаемых" (Екатеринбург, 1994), VIII Международном Конгрессе по механике горных пород (8th International Congress of Rock Mechanics) (Токио, Япошм, 1995), Всероссийской конференции "Управление напряженно-деформированным состоянием массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений" (Екатеринбург, 1996), Семинаре "Динамические процессы в геосферах" (С.Петербург, ВНИМИ, 1996), Международном Симпозиуме "Prediction and performance in rocck mechanics and rock engineering EUROCK '96" (Турин, Италия, 1996), Международном Симпозиуме "Инженерная геология и окружающая среда" (Engineering Geology and the Environment) (Афины, Греция, 1997), XI Российской конфе-ренщп! по механике горных пород с иностранным участием RusRock-97 (С.-Петербург, 1997), Семинаре Ассоциации геомехаников России (Москва, 1997).

Содержание работы и результаты исследовашш отражены в 23 научных публикациях в отечественных и зарубежных научных журналах и изданиях.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ. Исследования, представленные в настоящей работе, выполнены автором в ИДГ РАН. Основная часть результатов работы получена автором лично, либо под руководством автора совместно с Сотрудниками лаборатории геотехнических проблем ИДГ РАН. Часть экспериментальных результатов получена в исследованиях, проведенных совместно с сотрудниками КНЦ РАН и выполненных СППГУ Кировского рудника по заказу автора. Исследования проводились в рамках программ, включенных в план работ ИДГ РАН, и поддерживались Российским фондом фундаментальных исследований (проекты 93-05-14555, 95-05-14986, 96-05-64988, 97-05-64375).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем диссертации включает 291 страницу текста, в том числе 104 иллюстрации и 9 таблиц. Список литературы содержит 162 наименования.

Автор выражает искреннюю признательность за помощь и поддержку профессору В.Н.Родаонову, которого считает своим учителем, академику Е.И.Шемякину за внимание и советы, которые спо-

собствовали выполнению и написанию этой работы, а также своим коллегам по лабораторга1 геотехшгческих проблем ИДГ РАН: Т.В.Васильевой, В.Ф.Евменову, С.В.Кондратьеву, Ю.С.Рыбнову и Л.Н.Сизовой за участие и помощь в проведении исследований.

За постоянную поддержку исследований и содействие в их выполнении автор благодарен члену-корреспонденту РАН В.В.Адушкину. Проведенные в 80-х годах исследования, в частности, первый этап натурных измерений на Кольском полуострове, пользовались вниманием и поддержкой академика М.А.Садовского, о чем автор помнит с глубокой благодарностью.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении изложены научное направление, актуальность изучаемой проблемы, цели и задачи исследования, сформулированы основные научные положения работы, выносимые на защиту.

Глава I. Исследования геомеханических процессов в горном массиве.

Дана общая характеристика современного состояния проблемы исследований геомеханических процессов в горном массиве по российским и зарубежным научным работам. Принятый в настоящей работе геомеханичесющ подход к оппсагапо горного массива подразумевает его описание методами механики горных пород с учетом процессов, происходящих в верхней части земной коры под воздействием естественных и техногенных факторов. Разработка моделей геофизической среды в последние десятилетия была направлена главным образом на изучение и прогноз такого сложного явления как землетрясение. Исследованию этой фундаментальной проблемы посвящены работы Е.В.Артюшкова, М.В.Гзовского, Б.В.Кострова, В.И.Кондаурова, В.И.Мячкина, Л.В.Никштша, В.Н.Николаевского, М.В.Невского, В.Н.Родионова, М.А.Садовского, Г.А.Соболева, Е.И.Шемякина и др.

В настоящее время уже существует обширная научная литература, посвященная исследованию скальных массивов, тектонических напряжений в них и взаимодействия массива с подземными сооружениями, возведенными в его толще. В работах И.В.Баклашова, Д.М.Брошшкова, Н.С.Булычева, А.А.Варги, Н.П.Влоха, Э.В.Каспарьяна, А.А.Козырева, С.А.Козырева, Б.В.Кострова, В.Н.Костюченко, Г.Г.Кочаряна, С.В.Кузнецова, М.В.Курлени, А.М.Линькова, Г.А.Маркова, Ю.Б.Мгалобелова, Н.Н.Мельникова,

В.И.Осипова, И.М.Петухова, Л.А.Пучкова, А.Ф.Ревуженко, А.И.Савича, А.Н.Ставропша, С.Б.Стажевского, К.Н.Трубецкого, И.А.Турчашшова, Е.И.Шемякииа, С.А.Юфина, Д.Барлы, К.Бартона, Р.Гудмана, Н.Кука, П.Канзера, М.Ли, Л.Мюллера, Ш.Сакураи и др. обобщен богатый экспериментальный материал, накопленный на горных предприятиях в различных районах: геомеханические и геологоструктурные характеристики скальных массивов, метода их инструментального исследовашы, напряжение состояния и динамические явления в них, технология ведения горных работ, а также опыт численного моделирования на основе экспериментальных данных, получаемых в натурных измерениях. Развитие механики горных пород в последние десятилетия определялось крупномасштабным строительством различных инженерных сооружений в скальных породах: транспортных тоннелей, высоких плотин, подземных объектов и пр. Значительный прогресс, достигнутый уровне в этой области отражен в трудах конгрессов и симпозиумов Международного общества по механике горных пород (КЯМ). Однако, современный уровень знаний в геомехашпее не позволяет предсказать все аспекты поведения горного массива в процессе техногенного вмешательства в ход естественных процессов. Более того, можно утверждать неоднозначность такого поведения и прогнозировать несколько вариантов реакции массива на такое вмешательство.

В последние десятилетия наиболее активно изучалась проблема влияния техногенных воздействий на сейсмический процесс в земной коре при создании крупных водохранилищ, мощных взрывах, горных работах. Достигнутый прогресс в этом направлении исследований отражен в работах В.В.Адушкина, А.В.Николаева, М.В.Невского, Е.О.Кременцкой, А.А.Сгашака и др. Несмотря на накопленный большой экспериментальный материал, вопрос о механизме проявления техногенной сейсмичности остается недостаточно изученным. Особенно это касается мехашома развития раз-рушешш при техногенных землетрясениях, вызываемых горными работами в высоконапряженных структурно неоднородных горных массивах при сложном гравитационно-тектоническом поле напряжений.

Тектонические напряжения, наличие которых установлено практически во всех регионах, г де имел место процесс горообразования, являются основным фактором, определяющим напряженное состояние высоконапряженных горных массивов. Вопросы дифференциации тектонических напряжений в верхней части земной коры и их

диагностики разработаны в работах Н.П.Влоха, Г.А.Маркова, А.А.Козырева, П.Н.Кропоткина, А.Н.Ромашова и др. Установлена иерархическая структура формирования тектошгаеских напряжений на различных масштабных уровнях и закономерности их диффе-ренциащш в зависимости от блоковой структуры массива и других факторов.

Наиболее распространенным и ярким динамическим проявлением горного давления, представляющим особый шггерес для дашшх исследовашш являются горные удары. Приведен краткий обзор имеющихся в литературе дашшх об этих динамических явлениях и их связи с тектоникой и напряженным состоянием. Напряжешю-деформированное состояние земной коры не является равномерным в пространстве и во времени. В отдельных районах, особенно в тех, где отмечаются геотектонические процессы, напряженное состояние массива зависит не столько от силы тяжести горных пород, сколько от напряжешш, действующих в земной коре. Горнотектонические удары, очаги которых часто располагаются на сравшггельном уда-лешш от выработанных пространств трудно отличить от естественных тектошгческих землетрясений. Об этом свидетельствуют мощные горнотектонические удары на угольных шахтах в штате Юта США, золотодобывающих рудниках ЮАР, Индии и Австралии, на соляных рудниках в Германии и России, на Таштагольском месторождении в Рудном Алтае, на Североуральских и Южноураль-скнх бокситовых рудшпсах, на рудниках Кольского полуострова. По энергии (109-1012 Дж) и силе воздействия на окружающую среду такие горные удары можно квалифицировать как техногенные зем-летрясеши, вероятность возникновения которых возрастает по мере увеличения объемов и глубины горных работ. Влияние тектошгаеских напряжешш на возникновение горных ударов установлено на многих объектах. Неоднократно отмечена корреляция между объемами выемки горной массы и некоторыми характеристиками гео-дшшшгческого режима горного массива. Изучаемые в настоящей работе горные удары в Хибинском массиве рассматриваются как результат нарушения равновесия структурно неоднородного горного массива при техногенных воздействиях.

Несмотря на целый комплекс нерешенных проблем в геомеханике, что объясняется сложностью явлений, происходящих в реальном горном массиве и земной коре в целом, можно отметить существенный прогресс в этой области за последние десятилетия.

Глава 2. Геомеханический контроль устойчивости участков земной коры.

Подход к решению проблемы долговремешюй устойчивости подземного сооружения развивался в ИДГ РАН с начала 80-х годов. Этот подход основан на сочетании систем инструментальных измерений и расчетных методик. Горный массив рассматривается как живая развивающаяся геофизическая среда, структуры которой непрерывно изменяются. Временной масштаб этих изменений определяется внешним воздействием и может составлять как миллионы лет, так и годы, а также часы и даже секунды. Изучение поведения такой среды должно быть основано на использовании систем мониторинга, включающих расчетные методики не только как основу для разработки критериев отбора информации, но и для выбора участков и масштаба измерений.

Основная роль систем мониторинга заключается не столько в обеспечении конкретного прогноза, что ввиду сложности проблемы представляется нереальным, сколько в выявлении характера инициированных в массиве процессов, их закономерностей и прогностических признаков для приняшя на этой основе инженерных решений как технологического, так и экономического характера.

В первую очередь исследования должны быть направлены на решение следующих основных вопросов:

- выявление блочной структуры массива, расположения, мощности и особенностей внутреннего строения активных разрывных нарушений; установление общих закономерностей деформирования массива с учетом его геологоструктурных особенностей и наличия сооружений.

- оценка напряженного состояния и деформаций в массиве и в зонах разломов и их изменений во времени; определение опасных участков массива, нарушение равновесия которых возможно при данном режиме деформирования.

- прогноз возможных подвижек блоков, образования новых и проявления уже имеющихся нарушений в массиве под действием естественных и техногенных факторов.

Основой разработанного в работе подхода является совместное использование для изучения поведения горного массива натурных измерений и расчетов с использованием механической модели твердого тела с неоднородностями, которая и определяет новизну подхода: дает возможность прогноза возникновения и изменений динамической структуры в горном массиве: части структурных элементов среды, реагирующей при определенном виде внешнего воз-

действия. При изучении структур, прежде всего экспериментальном, нужно учитывать, что естественные воздействия планетарного масштаба (деформирование земной коры в гравитационных полях) порождают динамические структуры большого пространственного и, особенно, временного масштаба - время существования таких структур - 1000 лет и более. Динамические структуры, возшь кающие при техногенных воздействиях, легче поддаются анализу и экспериментальным исследованиям: их пространственный масштаб определяется масштабом воздействия и доступен для инструментальных наблюдений, а времешюй составляет 10 лет, 1 год и менее. Несмотря на то, что непосредственное инструментальное измереш1е самих динамических структур осуществить трудно, на практике проявлеш1е этих структур выражается в изменениях напряженного состояния, деформации элементов выработок и крупных неодно-родностей, сейсмических явлегаих в различных частотных диапазонах и пр. Таким образом, внешние проявлеши дшгамической структуры массива поддаются инструментальному контролю. Главное, что для этих целей дают расчеты, это возможность выбора места и масштаба измерешш - пространственного и временного. При сложном нагружешш в реальных условиях этот вопрос может оказаться непростым: при неправильном выборе базы измерешш (или частотного диапазона) важная информация о состоянии участка массива может быть пропущена, а ошибочный выбор временного масштаба может привести к неверным выводам и прогнозам.

Дан перечет основных используемых в России и за рубежом методик инструментальных измерений геомеханических характеристик горного массива, составляющих систему и их общая характеристика. Основное внимание уделяется трем методикам натурных измерений, разработанных в лаборатории геотехнических проблем ИДГ РАН: методике регистрации относительных перемещений (ДПС), измерения геопотенциала и сейсмоакустнческой эмиссии.

Методы регистращш сейсмоакустнческой эмиссии позволяют выделить области массива, в которых процесс перераспределешы горного давления при техногенных воздействиях порождает сложные процессы разрушения массива на неоднородностях крупного масштаба и на шпероуровпе, что приводит к появлению сейсмоаку-стических сигналов различной частоты и интенсивности. Разработанная методика контроля сейсмоакустнческой эмиссии включает первичные преобразователи - пьезоакселерометры с рабочим диапазоном частот до 10 кГц, разработанный цифровой регистратор, работающий в ждущем режиме и обеспечивающий запись сигаа-

лов с длительностью от 1 (И сек до 40 сек и систему управления. Система позволяет проводить сейсмоакустические измерения в подземных выработках как в "спокойной" обстановке, так и в процессе мощного взрывного воздействия на г орный массив.

Особое вштание в практике геофизических наблюдений, а также горных и горностроительных работ уделяется регистрации мед-лешак деформаций и перемещений в массиве с помощью деформо-графов и наклономеров различных систем. Для многоточечных измерений деформаций в массиве может быть использована разработанная в ИДГ РАН методика измерения относительных перемещений на основе струшюго датчика ДПС, позволяющая измерять перемещения от Ю-2 мм до нескольких миллиметров. Методика достаточно проста для массовых измерений и может быть применена не только для регистрации относительных перемещений берегов разломов и трещин практически в любых труднодоступных точках, но и для режимных наблюдений за деформированием контура выработок. Методика обеспечивает высокую точность и широкий диапазон измерений как в квазистатических, так и в динамических процессах.

В последние годы все более ппгрокое распространение получают методы контроля состояния горного массива, основанные на регистрации электромагнитных явлении и измерении электрических свойств породы. Для изучения поведения горного массива необходим простой метод, фиксирующий изменения напряженного состояния на больших участках в реальном времени. Для решения этой задачи разработана и испытана в натурных условиях методика измерения геоэлеастрического потенциала, обладающая сравнительной простотой и информативностью. В данной методике геопотен-цнал измеряется с помощью металлических электродов, цементируемых в породе. Анализ результатов при натурных измереших медленных вариаций геопотенциала сводится, главным образом, к анализу вариаций величины коэффициента анизотропии К=иу/иХ) где иу - разность потенциалов, измеренная между двумя электродами, установленными по лшпш, перпендикулярной плоскостям спайности, а их - параллельно плоскостям спайности. Методика регистрирует как сравнительно медленные, так и динамические явлешы, может быть успешно использована для массовых измерений в подземных выработках и на поверхности массива. Деформационные процессы при промышленных взрывах в массивах горных пород в условиях их естественного нагружения дают возможность исследо-

ватъ электрические процессы на объемах с характерными размерами в десятки и даже сотни метров.

Приведенная в перечне методика регистрации инфразвуковых волн в атмосфере используется в работе в комплексе с сейсмическими измерениями для решегаи задачи определения координат эпицентров мощных динамических явлений в горном массиве: подземных и карьерных взрывов, крупных горных ударов. Отдельной задачей является идентификация таких событий, в частности, разделение землетрясений (горых ударов) и взрывов.

Глава 3. Напряжешю-деформировашюе состояние горного массива при техногенном воздействии.

Изучение поведения породного массива в натурных условиях проводилось в настоящей работе на примере таких объектов как подземные выработки рудников Хибинского и Ловозерского массивов Кольского полуострова. Выбор объекта наблюдений определяется наличием в данном районе значительного техногенного воздействия на массив, которое может приводить к освобождешпо или перераспределешпо внутренних энергетических ресурсов массива -накопленной средой потенциальной энергии. В тектоническом от-нотегаш Хибинский массив представляет собой иерархически-блочную структуру с ярко выраженными блоками различного ранга, разделяемыми разломами. Массив отличается высокой прочностью скальных пород, приближающихся по прочности к гранитам, и структурной неоднородностью различного масштаба: от крупных неодпородностей - разломов, до сети мелких трещин. Существенной чертой напряженного состояния пород Хибинского массива является наличие избыточных (по сравнешпо с литостати-ческими) горизонтальных напряжений, превосходящих в 5-10 раз гравитационные напряжения. В работе приведены результаты нз-мерегаш тектошгческих напряжений в Хибинском массиве, проводившихся сотрудниками Горного института КНЦ РАН, а также результаты измерений напряжений методом разгрузки, трещинова-тосга и выхода керна, выполненных по заказу лабораторш! геотех-шгаескнх проблем ИДГ РАН на конкретных участках, где проводились основные измерешш. Отмечается неоднородность поля напряжении в прнконтурной зоне. Горизонтальные напряжешы изменяются в диапазоне от 10 до 80 МПа. Большие масштабы горных работ в этом регионе (ежегодно извлекается до 100 млн. т горной массы) оказывают существенное влияние на состояние массива в целом. Мощность подземных промышленных взрьюов достигает 400 т,

суммарная мощность взрывов на открытых карьерах - 400-500 т. При массовой взрывной отбойке массив подвергается сейсмическому действию и сравнительно быстрому псрераспределешпо горного давления. Разгрузка участков массива сопровождается пригрузкой других участков в местах складирования пустой породы, что оказывает влияние на состояние массива в целом.

Увеличение количества землетрясений в Хибинах в последние годы связано с воздействием на земную кору крупномасштабных горных работ, под влиянием которых происходит перераспределение напряжений не только в зоне очистных работ, но и на значительном удалении от них. Болышшство сейсмических событий происходит в районе действующих рудников и крупных хвостохраш!-лшц. В основном ото мелкофокусные землетрясения: глубина очагов не превышает 500-1000 м, что является одним из характерных признаков техногенной сейсмичности. Исследования, проводившиеся в рамках настоящей работы и, особенно, произошедшее в апреле 1989г. на Югровском руднике техногенное землетрясение потребовали проведения сравнительного анализа сейсмического эффекта промышленных взрывов, регистрируемого сетью станций на далеких расстояниях. Для этих целей непосредственно на рудниках были собраны (лично автором) данные о взрывах на Юкспорском, Кировском и Центральном рудниках в этот период и сопоставлены с сейсмологическими каталогами Хельсинкского университета.

Описанные в диссертации инструментальные наблюдения за горным массивом на Кольском полуострове были начаты под руководством автора в 19821. Основное внимашю в работе уделено результатам, полученным в 1987-96 гт.

Высокий уровень тектонических напряжений и масштабы горных работ порождают условия для возникновения горных ударов тектонического типа - динамических срывов по имеющимся в массиве нарушениям сплошности. Техногенное землетрясение на Кировском руднике произошло 16 апреля 1989 г. во время проведения массового взрыва (10 ч 35 м). Взрыв мощностью 230 т представлял собой обычный массовый взрыв для отбойки очередного блока породы. Система замедлений с последовательным взрываш1ем вееров скважин занимала интервал 400-500 мсек. В этом интервале с некоторой задержкой от начала взрыва произошло землетрясение, которое по сейсмическому эффекту в эпицентре имело силу 6-7 баллов. В г. Кировске, отстоящем от эпицентра на 6 км внешние проявления соответствуют 4-5 баллам, а в г. Апатиты, удаленном на 17 км, явление фиксировалось только приборами. Данные сейсмостанций

позволяют опешпъ мапплуду землетрясения М=4,8-5, что соответствует сейсмической энерпш 10|2Дж. Глубина очага по этим данным не превышает 1 км.

При обследовании горных выработок после землетряссшш установлено, что по разлому V ранга, представленному жилой эгирина мощноегыо 15-25 см образовалась трещина северо-западного простирания, падаше на северо-восток, средний угол 35°. Трещина проявилась на участке в 1 км, ограниченном почти вертикальными разломами, сдвинутая толща пород над трещиной достигает 400600 м. Условия действующего рудшпеа с его разветвленной сетью подземных выработок, обнажающих геологические структуры, дают возможность проследить образовавшуюся трещину на значительном протяжении, а также непосредственно измерить величину подвижки по ней. Маркшейдерскими измерениями установлено, что вдоль трещины произошел надвиг с максимальной амплитудой 8-9 см, надвинутый блок ограничен с трех сторон крутопадающимн разломами, представленными зонами дробления, а с одной стороны (по плоскости сместителя) жилой эгиршга. Процесс образования этой огромной грещины с подвижкой массива вдоль нее и явился источником сейсмических колебаний - техногенного землетрясения. Нарушение равновесия породного массива вызвано изъятием горной массы (до 25% первоначального объема), что привело к пошх-жешпо свободной поверхности на 300-400 м и уменьшению величины вертикальных литостатическнх напряжений на 9-12 МПа при сохранешш действующих в массиве субгоризонтальных тектонических напряжешш 30-80 МПа.

Расчеты напряженного состояния в окрестности разлома дают возрастание сдвиговых напряжешш на плоскости разлома до критических (прочностных) величин, а перемещений вдоль плоскости разлома - величину ДЦе = 6-8 см, что практически совпадает с измеренной величиной подвижки. Оценка величины работы сдвиговых напряжешш при такой подвижке - А = 2 • 1012 Дж по порядку величины совпадает с оценкой сейсмической энергии землетрясения, а оценка сейсмической энерпш промышленных взрывов дает величину I О8-109 Дж, что на 3-4 порядка уступает энерпш землетрясе-ш1я.

Таким образом, изменение напряженного состояния массива в результате инженерной деятельности такого масштаба может привести к образованию крупных трещин вдоль геолого-структурных неоднородаостей и к значительным подвижкам сопровождающимся локальными техногенными землетрясениями. Взрывное воздействие

в данном случае явилось спусковым механизмом для землетрясения: энергия взрыва оказалась много меньше сейсмической энергии землетрясения. Главными параметрами техногенного землетрясения являются как показывают оценки, запас упругой энергии по отношению к возможному направлешпо подвижки и размер образовавшейся трещины. Отсюда следует, что для прогноза влияния техногенных факторов в каждом горном массиве необходимо знать кроме напряженного состояния его пространственную структуру и естественный режим деформирования.

Ситуация, когда явления типа горного удара инициируются взрывом, является достаточно распространенной. Горный удар 24.04.91 на Ктгровском руднике произошел непосредственно сразу (через 9.В сек) после массового взрыва мощностью 150т и зарегистрирован одновременно тремя методиками измерения сейсмикн, геопотенциала и инфразвука (рис.1), что позволило проанализировать спектральный состав сигналов, оценить энергию удара и положение эпицентра. Оценка энергии дает величину 3,5 - 5 • 109 Дж.

Взрыв поди,ш\' ,

рождает увеличение сейсмической активности в массиве в области горных работ, однако, интенсивность и длительность проявлений этой активности для разных взрывов отличаются существенно и определяются сложившимися к данному моменту геологическими и

тектонофизическнми условиями участка проведения взрыва. Практически всегда к началу вторых суток в массиве в целом (за исключением отдельных сравнительно небольших участков) порожденная взрывом сейсмическая активность снижается до фонового уровня. Измерения сейсмоакусгической эмиссии в массиве проводились на участках, подвергающихся непосредственному действию взрыва и перераспределению горного давления при отбойке. При анализе

ДР,Ра Д1!,тУ

Рис.1. Регистрация взрыва 28.04.91 и последующего горного удара с помощью методик измерения вариаций геопотенциала (1), инфразвука (2) и сейсмикн (3).

эффектов проявления сейсмоакуетической эмиссии важен выбор частотного диапазона регистрации: часть ценной информации несут высокочастотные сигналы (от 1 до 20 кГц), быстро затухающие в ближней - в данных крупных стационарных сетей эта информация отсутствует. Установлен общий характер изменения частотного состава сигналов после взрывного воздействия: если в первые сутки после взрыва большая часть записей имеет спектр с низкочастотной составляющей (200-500 Гц), то к концу вторых суток максимум на спектрах сигналов смещается в область более высоких частот (11,5 кГц) и появляется второй максимум в области 4-7 кГц; в последующем в общем потоке импульсов остаются только высокочастотные н их количество постепенно уменьшается до уровня довзрывно-го фона. Источником низкочастотных сигналов является, как показали оценки, зона массива, разрушенная прямым действием взрыва и, главным образом, блок неразрушенной среды, граничащий с раздробленной взрывом областью. Анализ полученных данных позволил представить временную карпшу локальных разрушений в массиве на неоднородностях разных масштабов.

Для оценки продолжительности времени, в течение которого проявляются последствия воздействия взрыва, использованы количественные параметры сейсмической эмиссии: частота сейсмоаку-стических импульсов, их количество и длительность первой фазы импульсов. Разработанная система регистрации сейсмоакуетической эмиссии может быть использована дтя диагностики состоя-ння горного массива при мощных дщтмическнх воздействиях и может иметь практическое применение для контроля безопасности при проведении массовых взрывов. Данные таких измерений могут быть полезны при оценке размеров зоны "предразрушения" в ближней зоне взрыва, которая должна являться источником после-взрывной сейсмоакуетической эмиссии.

С целью изучения реакции структурных элементов массива на взрывное воздействие были поставлены измерения относительных перемещений на разломах, находящихся в непосредственной близости от места проведения взрыва. В работе приведены зарегистрированные на ряде врывов заметные послевзрывные относительные перемещения берегов разлома и величины остаточных смещении. Наибольший интерес представляют результаты измерений относительных перемещений на разломе V ранга, являющимся непосредственным продолжением разлома, по которому произошла подвижка при техногенном землетрясении 16 апреля 1989г. Часть полученных результатов представлена на рис.2. Параллельная разлому II-

компонента смещения нарастала (не монотонно) до 3 мм в течение 6 минут, в дальнейшем в течение приблизительно 4 часов произошел спад величины и. На разломе реализовался типичный релаксационный процесс: скорость спада и, сравнительно большая на первом этапе, постепенно уменьшается, причем процесс спада и не закончился за период непрерывной регистращш: величина остаточного смещения, зафикенровашшя через сутки после взрыва составляет 0,3мм. Результаты этих измерений могут быть отнесены к уникальным: такое развитие берегов "будущего" разлома не описано в литературе.

В результате крупномасштабных горных работ сдвиговые напряжения, концентрирующиеся на разломе, могут достигнуть критических величин. Кроме того, при взрывной отбойке блока происходит перераспре-дспение напряжешш в значительной области массива и сочетание этих двух факторов мо жег привести к нарушению его равновесия. При взрыве 5.12.93 такого нарушения не произошло, однако, проведенные измерения зафиксировали заметную реакцию разлома на отбойку стыковочной секции. Результаты измерений позволяют предположить, что за четырехчасовой период после взрыва произошла значительная релаксация напряжешш на разломе, которая и привела к снижению величины относительных смещений. Эти результаты послужили основой для постановки задачи о моделировашш поведения массива при таком воздействии (гл. 5).

С помощью мстолтгки измерении геоэлектрического потенциала в массиве контролировались изменения напряженного состояшм на больших участках в реальном времени. Характерной особенностью апатито-нефелиновых пород является упомянутая выше анизотропия по распределешпо геопотенциала К=Цу/их. Проведенные измерения геопотенциала в массиве в трех различных по напряженному

Рис. 2. Относительные перемещения берегов разлома при взрыве 5.12.93.

состоянию областях дали следующие результаты: в разгруженной области (искусствешю отделенный от массива фрагмент) агшзотро-пия практически отсутствует: К= 1,02-1,1, в реальном напряженном массиве в зоне, где в период измерения не проводилось никаких горных работ ("спокойный" массив) Кср=1,52 и, наконец, в зоне горных работ со значительным изменением напряженного состоя-1шя (область массива, где проводились работы по проходке выпускных воронок под блоком) Кср=3,6. Таим образом, изменения напряженного состояния вызывают значительные вариации показателя анизотрогаш (до 3-х и более раз) и измеряемый параметр К может служить характеристикой неоднородного напряженного состояния массива.В период проведения измерений в третьей зоне непосредственно в месте регистрации произошел слабый горный удар (23.12.91). Сравнительно небольшие изменения напряженного состояния в течение нескольких суток до и после события характеризовались незначительными вариациями геопотегащала, однако, в период, непосредственно предшествующий событию, и особенно в момент удара зарегистрированые параметры на одш-два порядка превосходят фоновые, что может служить прогностическими признаками подготовки события. Методика измерения геопотенциала надежно фиксирует послевзрывные сейсмические события в руднике, результаты таких наблюдений в послевзрывной период на нескольких взрывах хорошо коррелируют с проводившимися параллельно сейсмическими измерениями и с данными сейсмостанции. Измерения медленных вариаций геопотенциала на разломе, проводившиеся параллельно с измерениями смещения берегов разлома по методике ДПС, показали, что смещения и соответствующие им изменения геопотенциала хорошо коррел!грованны (г=0,8-0,87).

Разработанные и апробированные в натурных условиях на конкретных измерениях методики сейсмоакустическпх измерений, из-мерегаш относительных перемещений и вариаций геопотенциала могут в сочетании с другими методами служить основой для созда-1шя сети многоточечных измерений.

Глава 4. Модель среды и расчетные методики.

Для моделирования напряженног о сост ояния массива автором выбрана модель твердого тела с неоднородностями, основные постулаты которой предложены и сформулированы В.Н. Родионовым. Выбор модели определялся не только участием автора на определенных этапах разработки модели, но и тем, что модель позволяет реализовать подход к описанию горного массива, разви-

ваемый в настоящей работе. Твердое тело представляется идеальной сплошной средой, деформации которой под действием внешних, сил обратимы, если напряжения не превышают прочностных характеристик материала. Разномасштабные неоднородности рассеяны равномерно по объему, причем расстояние между неоднородностя-ми каждого размера много больше их собственной величины. Основным постулатом модели является распределение неоднород-ностей в среде по размерам:

' = СОИ5/= —— (1)

¿\п 1 тфк

Здесь: I -характерный размер неоднородности, п - число неоднород-ностей в единице объема тела, О - параметр механической добротности среды, к - коэффициент концентрации напряжений. Определяющее уравнение для дополшггельных напряжений на неоднород-

ностях Асг1к задано в модели в виде:

(2)

Л Л I

где р - плотность среды, Сх - скорость упругих поперечных волн, ел - девиатор тензора деформаций, v - скорость релаксации. Усреднение дополнительных напряжений по объему тела дает неупругое

напряжение а'л . Расчетные формулы для напряжений АсГ1)с и су'л

получены в виде ннгаралов:

Лет* = к/х;$ё,м(1 - г)схрГ^Уг,

(3)

2 2 1 '

а'л = Г Г е* (/ - г) сщ>{~от/)(1т(11п / •

^ Го

Полное напряжение в среде а)к и полные локальные напряжения на пеоднородностях су[к определяются суммами:

о» = а'к + ' о» = ^ + Ла1к - (4)

где сг.ек - упругая компонента полного напряжения.

Различные масштабные уровни структуры среды проявляются в зависимости от параметров воздействия (масштаба, интенсивности и длительности) - проявляется динамическая структура среды: раз-

мер неоднородностей, концентрация напряжений на которых характеризует механические свойства среды в дашюм процессе. Возникновение динамической структуры в твердом теле является основным теоретическим выводом модели: при деформировании проявляется не весь непрерывный набор неодаородностей, но лишь неоднородности определенного масштаба /. При сложном нагруже-шш это может быть некоторый диапазон размеров / (непрерывный или дискретный), причем для разных областей массива этот диапазон различен и изменяется в процессе деформирования. В отличие от релаксиругощей среды Максвелла здесь релаксация происходит на каждом размере с различной скоростью, определяемой соотношением О //. Таким образом, тело "выбирает" собственную реакщпо на внешнее воздействие и свойства такой среды зависят от процесса деформирования.

При оценке энергии, запасенной в процессе деформирования на неоднородностях в некоторой области массива следует иметь в виду, что в конкретной задаче в выбранном объеме может оказаться лишь несколько неоднородностей этого размера. В этом случае лучше говорить об энергии, накопленной на одной отдельно взятой неоднородности, находящейся в этой зоне. Работа против локальных напряжешш на неоднородности размера / вычисляется как

В определяющие соотношения модели входят три константы, определяемые опытным путем: мехашгаеская добротность (2, скорость релаксации V и коэффициент концентрации напряжений к. Механическая добротность определяется из экспериментов по зату-хашпо упругих воли. Анализ имеющихся данных показывает, что средние значения величии механической добротности для типичных горных пород лежат в пределах от С2=30 (для песчаников) до (}= 130 (для диабаза). Величина скорости релакеащш и, используемая в модели в качестве основной константы была оценена в по геофизическим данным как о =2 • 10 й см/с. В лабораторных опытах по упругому последействшо И.А.Сизовым получены следующие величины скорости релакеащш напряжений о: для стекла - 3 • 10 6 см/с, для канифоли -2-10 6 см/с, для песчаника - 106 см/с, для глинистого сла1ща - 5* 106 см/с, для влажного песчанистого сланца - 4 • Ю-4 см/с. Вариация коэффициента к для типичных горных пород не велика (к = 0,7н-3), что позволяет при анализе ситуащш для сред с нсизвестьши свойствами использовать среднее значаще к=2.

При решении практических задач прогноза поведения реальных массивов оценка численных значений величин механической добротности Q и скорости релаксации избыточных напряжений о может быть затруднена. Опытное определение параметра и связано с проведением длительных реологических испытаний in situ, а для определения величины Q требуется исследование затухания сейсмических волн малой амплитуды в массиве, что требует определенных трудовых и материальных затрат и осуществляется лишь на особо ответственных объектах. Выход может быть найден, если имеется возможность сопоставления результатов расчетов с данными натурных крупномасштабных измерений. В задаче о реологических дефомациях массива в окрестности подземных выработок Ро-гунской ГЭС (глава 5) в качестве таких дашилх использованы результаты натурных измерений смещений стен машинного зала ГЭС геодезическими методами в процессе его проходки. Выбор величин указанных параметров осуществлялся из условия наилучшего совпадешь расчетных и опытных данных. Параметры изменялись в широких пределах: механическая добротность среды изменялась от Q =50 (слабо нарушенный массив) до Q =10 (очень сильно нарушенный массив), скорость релаксации и - от 10 6 см/с (сухой близкий к монолитному скальный массив) до 10 4 см/с (влажный слабос-цементированньш массив). В результате были выбраны следующие значения параметров: Q =20 и и- Ю-5 см/с. Такой подход к уточне-шпо характеристик массива в процессе строительства сооружения является основой совремешплх прогностических методик при возве-дешш крупномасштабных и ответственных объектов.

Модель твердого тела с неоднородностямн положена в основу разработанной в диссертации расчетной модели, использующей для расчетов известный метод конечных элементов (МКЭ), нпгроко распространенный в задачах механики сплошной и дискретной среды и являющийся эффективным общим числешплм методом для решения широкого круга краевых задач механики сплошных сред.

В расчетах использованы четыре вида элементов: линейные трех и четырехугольные и квадратичные трех и четырехугольные. Задача сводится к нахождению перемещении 5 в узлах элементов из системы уравнений:

[К] {¿} = {F},

F - нагрузки в узлах элементов, [AT] - матрица жесткости системы элементов. Для решения системы использовался метод Гаусса, в

отдельных случаях - метод квадратного корня. Интегралы по площади элементов вычислялись в помощью квадратуры Гаусса-Лежандра (для прямоугольных элементов - по 9 точкам).

Во всех случаях решалась пространственно двумерная задача в варианте плоской деформации. Упругие компоненты рассчитывались по известным соотношениям теорш! упругости, для расчета неупрутих разработаны алгоритмы машинной реализации соотношений модели твердого тела с неоднородностями в МКЭ, которые позволяют осуществить моделгрованне природных объектов со

структурой и "памятью". Компоненты напряжений а'к и Дсгл вычислялись в соответствии с (3) на каждом шаге по времени, причем необходимо храшггь в памяти всю историю деформирования массива, т.е. зависимость ¿'¡к (г) для каждой точки для 0 < 7" < / , что на практике потребовало использования больших объемов памяти. Необходимая точность при вычислении несобственного (сходящегося при /0 —> 0) интеграла в выражешш для <т'к обеспечивалась соответствующим выбором нижнего предела интегрирования /0. Возникновение в среде неупрутих напряжений с[к учтено в уравнениях равновесия введением дополнительных (фиктивных) сил Г', которые добавляются к столбцу нагрузок:

Полученное в результате такой процедуры новое решение {<51 дает соответствующие новые значения е и ёц для каждой расчетной

точки. Реализуемая итерационная процедура облачается тем, что процесс быстро сходгггся (на практике - одна-три итерации для достижения требуемой точности). Представляющие основной интерес в задачах о напряженном состояния массива локальные напряжения на неоднородностях (х,у,1,1) вычислялись для каждой расчетной точки как сумма (4).

Условиями, обеспечивающими изменение деформаций в массиве во времени, в расчетах может быть изменение внешних нагрузок во времени в квазистатическом варианте, либо смещение на вы-брашпдх границах. Одним из вариантов таких условий является последовательное удаление ряда элементов сетки, которым модели-

ровалась проходка выработки или изменение деформационных параметров элементов при моделировании разрушения части массива. При таких изменениях в элементах "конструкции" на каждом временном шаге должна быть пересчитана и заново редуцирована (по крайней мере частично) глобальная матрица жесткости [К], при этом для сокращения времени вычислений используются известные процедуры, основанные на выборе порядка нумерации узлов и расположения соответствующих строк в [К].

Разработанная расчетная программа включает использование контакт-элементов, имитирующих трещины и контакты сооруже-шш с грунтом. Предельное сопротивление сдвигу используемых контакт-элементов характеризуется условием Кулона, в модельных задачах рассматривались варианты с разупрочнением материала элемента при сдвиге. Удовлетворение предельных условий по отношению к растяжешпо и сдвигу в контакт-элементе осуществлялось методом начальных напряжений. В расчетах напряженного состояния отдельного блока в дшшнопериодной волне сжатия (гл.6) использовались элементы, моделирующие трансверсально-нзотропную среду, упругие свойства которой изотропны в некоторой плоскости, и отличны в направлении, перпендикулярном к ней. Таким образом описывалось поведение зоны раздробленной породы, у которой мала или практически отсутствует прочность на сдвиг.

В проведенных расчетах использовались стандартные типы конечных элементов с соответствующими функциями формы, для которых условш совместности элементов и полноты функций формы выполняются. Точность контролировалась сгущением сетки.

Глава 5. Численное модешгрование напряженно-деформированного состояния структурно неоднородного горного массива при техногенных воздействиях.

Прогноз устойчивости структурных элементов горного массива является одной из основных задач проблемы освоения подземного пространства. Равновесие массива, установившееся за длительный период его формирования, неизбежно нарушается при техногенном вмешательстве, поэтому необходимо оцешшать масштабы и опасность такого нарушения. Отдаленные последствия такого вмешательства в природные процессы связаны со спецификой строения горного массива, ег о напряженным состоянием и деформационным режимом, а также зависят от чувствительности деформационных режимов к слабым воздействиям.

Постановка задачи о расчетном прогнозе всех аспектов поведения горного массива при крупномасштабном техногенном вмешательстве представляется нереальной. Целью проводимых расчетов являлось установление общих закономерностей деформирования массива с учетом его геологострукгурных особешюстей и наличия подземных сооружений и определение опасных участков массива, нарушение равновесия которых возможно при данном режиме деформирования.

Приведены решения практических задач, разделенных на четыре группы. Во всех случаях расчеты проводились для конкретных строящихся или эксплуатируемых объектов и конкретных условий, сложившихся на горном предпрняттш.

Первой из практических задач, в которой использована разработанная модель и расчетные алгоритмы, является расчетная оценка реологических деформаций массива вокруг подземных выработок Рогунской ГЭС. Для данного объекта в распоряжении автора имелись подробные данные геодезических измерешш, проведенных в течение нескольких лет при проходке, что позволило использовать результаты натурных изменений для корректировки расчетных процедур ц выбора параметров модели. Рассматривался вариант одновременной проходки двух крупных соседних выработок: машинного зала и трансформаторной подстанции. Проходка выработок моделировалась в точном соответствии с реальной историей деформирования массива - ходом горпостроительных ра-бот во времени. Основной целью расчетов являлась оценка реологических деформаций массива вокруг машинного зала ГЭС и прогноз развития во времени наблюдающегося в натурных нзмерешгах эффекта конвергенции стен машинного зала.

Оценки величин параметров модели: механической добротности (? и скорости релаксации дополнительных напряжений О получены на основе сравнения данных инструментальных наблюдешш по смещешпо во времени стен машинного зала с результатами расчетов для широкого интервала изменения параметров.

Рассчитаны эпюры смещения стен машинного зала во времени на нескольких уровнях. На рис.3 изображен набор кривых, соответствующих изменешпо во времени смещений верховой стены машин-_ ного зала на различных пикетах, зарешетрированных геодезическими методами. Наклоны кривых после окончания проходки (1=44 мес) близки между собой. Это позволяет считать, что изменение во времени смещений в этот период управляется одним и тем же - ре-

»1

лаксациошшм процессом. Для сопоставления с результатами расчета выбрана кривая для ПК 1+18,7. Лучшее согласие с экспериментальной кривой достигается для (3=20; и =105 см/с и при этом смещение стенки ограничено и стабилизируется через 5-7 лет на уровне 63 мм.

Проведенные расчеты демонстрируют практический метод выбора параметров расчетной модели для получеши оценки реологических деформаций выработок подземного сооружения.

Важной практической задачей рассматриваемой проблемы является оценка устойчивости горного массива в окрестности выработок подземного сооружения. В задаче о напряженном состоянии в окрестности цилиндрической выработки большого сечетшя при ее проходке дана расчетная методика прогноза динамической структуры в окрестности сооружения в процессе его строительства в виде напряженно-деформационного поля вблизи выработок в разные моменты времени. При этом обращено вни-маш!е на возможные нарушения сплошности в массиве, которые могут призойт со временем и поставить под сомнение устойчивость сооруже-1шя. Для целен настоя-

1 - ПК 1+42.7 (5) 2-ПК 1+90.7(5) .1 -ПК 1 + 18.7 (Я) 4 - ШС (1+707 (Л) 5-ПК-0+94.7(5,А) (.-ПК 1+64.7(5) 7-ПК 0+44.7 (А) 8 -ПК 0+22.7 (А)

140

100

20 0

Рнс.З. Смещение верховой стены машинного зала Рогунской ГЭС на различных пикетах на горизонте Ь= 12,6м, Б - песчанник, А - алевролит,

щей работы наибольшим интерес представляют возникающие в процессе горных работ облает концентращш растягивающих локальных напряжений на неоднородностях в непосредственной близости контура выработки. Именно эти зоны могут быть причиной горных ударов, вьюалов, подвижек блоков и пр. Конкретный анализ проводился для выработки радиусом Юм в скальном массиве на глубже 1км при наличии тектонических напряжений 30-60 МПа.

Прнведешше в работе диаграммы для наибольших главных локальных напржений

(т[(х,}',1) позволяют наглядно представить картшгу появления и разрастания указашпых зон для неоднородно-стей разных масштабов с развитием экскавацн-онных работ, и их исчезновение по мере релаксации напряжений. Одна их этих диаграмм дана на рис.4. На диаграммах выделены две зоны: первая - зона, в которой существуют растягивающие напряжения, ограничена изолинией (0), вторая - зона, где растягивающие на-

пряжешш превосходят соответствующий предел прочности <7Т (эта зона, ограшпенная изолинией (1,5), выделяется как более темная). Максимальные размеры первой зоны - до 0,8 Л, второй - до 0,25 Я.

-0.6 -

-1.3

Рис.4. Изолишш главного локального напряжения а | для / = 10м.

Существенно, что упругие напряжения в приконтурной зоне -сжимающие (на контуре выработки радиальные напряжения равны нулю), локальные же напряжения на неоднородностях в этой зоне - растягивающие, причем превосходящие по величине прочностные характеристики горных пород в значительной по размерам области. Расчетные растягивающие напряжения имеют радиальное направление, потому можно говорить о вероятности появления системы кольцевых трещин в приконтурной зоне (аналогтгчно появлению сетки трещин, параллельных боковой свободной поверхности образца при его деформировании (гл.4)). В этом случае можно говорить о возможных эффектах зональной дезинтеграции в массиве при инженерном вмешательстве.

Полученные оценки размеров зон растягивающих напряжешш имеют практически важное значение для прогноза поведения массива в этих областях при внешнем, в частности, динамическом воздействии. Необходимыми для оценок параметрами в этом случае являются размеры соответствующих зон и вероятный размер блоков, на которые уже разделен в период проходки или может быть разделен в результате внешнего воздействия горный массив в этих областях. Согласно представлениям модели для анализируемых в работе размеров неоднородностей / = 10м и 1м вероятный размер блоков составляет 50-100 м и 5-10 м. Наибольший интерес для практических целей представляют неоднородности размера 1 м и соответствующие им блоки, так как именно они могут оказаться подвижными в результате внешнего воздействия. Период сущесшо-вания опасных напряжешш на этих неоднородностях до их существенного снижения в процессе релаксации практически будет определять время, в течение которого будет существовать вероятность возникновения динамических явлений (например, горных ударов в приконтурной зоне выработки). Размеры зоны определяют вероятный объем выброса породы в выработку, а энергия, накопленная в зоне в процессе деформировашы, - сейсмический эффект. Спусковым механизмом для реализации этого процесса могут быть разнообразные внешние воздействия, часто не поддающиеся учету (например, сейсмическое воздействие от удаленных горнопроходческих работ).

Оценка энергии, акумулированной в процессе деформирования на неоднородностях в зоне о~[ > ат , дает величину Е1 =104- 106Дж. Для сравнения: в условиях Кировского рудника АО "Апатит" сей-

смическая энергия типичных горных ударов в выработках составляет по данным сейсмостанции 104 - 106 Дж.

Снижение опасных эффектов концентрации напряжешш может быть достигнуто за счет выбора надлежащего темпа горных работ. В качестве примера, иллюстрирующего возможности моделирования, рассматривался вариант с другим режимом экскавации: с длительной остановкой после проходки верхней половины выработки. Результаты такого иллюстративного расчета показывают, что такой режим приводит к существенному уменыпегапо размеров указанных зон особенно для неоднородностей / = 1 Ом к моменту окончат» проходки: размеры первой зоны уменьшаются в 2 раза, а вторая в верхней части выработки вообще исчезает. Расчет демонстрирует практический способ существенного ышжения вероятности возникновения в пршеонгурной зоне динамических явлений, т.е. способ уменьшения запаса потенциальной энергии, накопленной в приконтурной зоне в процессе деформирования при проходке.

Таким образом, используемая расчетная методика дает количественные оценки параметров напряжешюго состояния неоднородной приконтурной зоны при различных способах и временных режимах техногенного вмешательства в деформационный режим массива.

Основное внимание при моделировашш деформационного режима в окрестности структурных нарушений уделялось изучению поведения крупных неоднородностей породного массива (разломов) при техногенном воздействии. В последние десятилетия возросшие масштабы инженерного воздействия на окружающую среду стали приводить к ситуациям, когда реализуется потенциальная энергия, накопленная в результате естествегашх деформационных процессов в блоках большого масштаба (до 1 км). Изменение деформационного режима массива в больших областях может привести к развитию новых структур или оживленшо старых, к образованию крупных трещин особенно вдоль структурных неоднородностей и значительным подвижкам, сопровождающимся выделешгем энергии в виде сейсмических толчков, часто катастрофического характера. Использование модели твердого тела с неоднородностями дает возможность рассмотреть процесс концентрации локальных напряжешш в окрестности разлома во времени под воздействием техногенных факторов. Рассмотрены, в частности, варианты воздействия, определяемого экскавацией больших обьемов породы с поверхности массива и из внутренних полостей вблизи разлома как в течешш длительного времепи, так и при быстротечных изменениях.

В задаче о концентрации напряжений на разломе в горном массиве при изменении напряжешюго состояния, вызванном техногенным вмешательством, расчеты были проведены применительно к конкретному разлому в Хибинах, по которому была зафиксирована подвижка во время техногенного землетрясения 16 апреля 1989г. Проведены с использованием упругой модели и модели твердого тела с неоднородностями расчеты напряженного состояштя и пере-мещешш в массиве вдоль плоскости для перехода массива от ненарушенного состояния (до начала горных работ) к реальному на момент землетрясения его состоянию с учетом понижения уровня свободной поверхности и наличия областей, заполненных раздроб-лешюй породой. Расчеты дают возрастание локальных сдвиговых

напряжений т1 в плоскости разлома и на площадках, параллельных разлому: их величина на неоднородностях разлома возрастает до 25 МПа для /=10 м и до 30-32 МПа для /=100м. Как сказано выше, оценена величины работы сдвиг овых напряжений А « 2 • 1012 Дж, соответствующей упругой энергии, высвобождающейся в массиве при подвижке по плоскости разлома, совпадает по порядку величины с оценкой энергии землетрясения по сейсмическим данным Ее« Ю'2Дж.

Результаты расчетов позволили обосновать механизм данного землетрясения: 16 апреля 1989г. на Кировском руднике произошло техногенное землетрясение (или горный удар тектошгческого типа), шппцшровашюс промышленным взрывом. Реализовался разрыв сдвигового типа, при котором сдвиговая компонента относительного перемещения берегов значительно превосходит нормальную. Условия для возникновения динамического срыва - накопление напряжений на уже существующем разломе - определяются ходом крупномасштабных горных работ на месторождении: возрастание локальных сдвиговых напряжений в значительных по размеру областях создает возможность для реализации динамического срыва по разлому с выделением энерпш в виде сейсмического возмущения. Здесь мы имеем дело с хоть и редким (но далеко не единичным) случаем землетрясения триггерного типа - взрыв является спусковым механизмом для землетрясения.

Моделировалось изменение напряжешюго состояния на разломе при переходе крупного блока породы в зоне расположения разлома в раздроблешюе состояние в результате взрыва - зафиксированный 5.12.93 методикой ДПС процесс шггенсивного нарасташгя тангенциальной составляющей смещения на разломе после взрывного

возденствия и последующего спада за четырехчасовой период (рис.2). С целью выявления качественных особенностей происходящих процессов рассматривался предельный случай: образование на месте блока полостн соответствующих размеров.

После "дезшггегращш" блока происходит перераспределение напряжений в плоскости разлома и окружающем массиве. На вы-брашюм уровне, соответствующем точке измерения, происходит

значительное возрастание г' до 25 МПа (для / =100м - до 30 МПа) в окрестности разлома в области, превосходящей по размерам ширину блока в несколько раз. Зависимость т' (1) для /=0,1 м, изображенная на рис.5 (кривая 1), может рассматриваться как качественное моделирование процесса, зарегистрированного на разломе. В момент "дезшггегращш" блока происходит быстрое нарастание напряжешш до максимума. Последующая релаксация напряжений в течение сравнительно про-

Т (МРа)

24-

16-

должнтельного времеш! 28' определяется в основном величшгами скорости релаксации V и величиной /. Общий ход кривой: возрастание т1 и последующая релаксация напряже- 2о -или в течение сравшггель-но продолжительного времени соответствует экспериментальной зависимости относительных перемеще-гаш и от времени на разломе после взрывной отбойки. Следовательно, если потери устойчивости массива с образованием трещины вдоль разлома не происходит, процесс релаксации напряжешш па элементах динамической структуры /=0,05-0,1м, соответствующих выбранной базе измерений, должен иметь именно такой характер.

12-

0.98

1.00

1.02

1.04

1.06

Рнс.5. Расчетные зависимости локальных касательных напряжений на не-однородностях / = 0,1м (1) н / =10 м (2), I, = 0,5 года.

Расчетный анализ динамической структуры, возникающей при деформировании, может служить основой для постановки натурных измерений: он дает возможность не только выбора места, но и пространственного и временного масштаба измерении.

Особый интерес представляет анализ напряженного состояния структурно неоднородной среды при циклически изменяющихся внешних нагрузках. Такие воздействия широко распространены в природе: воздействия планетарного масштаба (земные приливы) и регионального - сезонные колебашгя уровня грунтовых вод, изменения уровня крупных водохрагаглшд, приводящие к возникновению специфических "плотинных землетрясений" и др. Рассмотрена задача о напр я же! гном состоянии массива в основании крупного гидротехнического сооружешгя. В этом случае известны параметры внешней нагрузки и существуют прямые и косвенные опытные данные, позволяющие провести сравнешге с результатами расчета по крайней мере на качествегшом уровне. Конкретные расчеты были проведены для условий Ингурской ГЭС и имели целыо оценку возможного уровня концентращш напряжений в неоднородном массиве основания плотины Ингурской ГЭС с учетом релаксационных процессов при щгклическом изменении уровня водохранилища и объяснение реально зафиксированных тендешцш изменения интенсивности фильтрации воды в основании плотины при технологических изменениях уровня водохранилища. При исследовании совместной работы плотины и се скального основания использовались данные института "Гидропроект" о распределении напряжений в ключевом сечешпг плотины.

Интерес для настоящего исследования представляют деформационные режимы, приводящие к проявлению динамической структуры и возрастанию (накоплешпо) напряжений на структурных неоднородностях породного массива. Так как соотношение между временами наполнения и опустошения водохранилища Тн/Т0 может существенно изменяться из-за различных внешних условий (например, количества осадков или режима производства электроэнергии), рассмотрены различные варианта этого соотношения от 0,5 до 3. Расчеты проводились для нескольких десятков непосредственно следующих друг за другом циклов 'Заполнение-опустошение" что соответствует работе ГЭС в течении нескольких лет. В результате получены данные, характеризующие напряжешго-деформированное состояние массива и изменение этого состояния с течением времени. Основное внимание при анализе уделено режиму, характеризующемуся быстрым сбросом уровня водохранилища:

Тн/Т0=3. В расчетах получено заметное возрастание растягивающих напряжений на неодиоро;щостях в области нижнего бьефа прн до-стнжешш мшшмального уровня воды в этом режиме. Возникновение зоны растягивающих напряжешш и их рост может привести к увеличению проницаемости в рассматриваемой зоне и, следовательно, к увеличению фильтращш воды через основание плотины. Полученный результат может служить качественным объяснением опытных данных по измерениям фильтрации на Ишурской ГЭС, где увеличение фильтрации через основание плотины происходит прн интенсивном сбросе уровня водохранилища.

Прн определенных режимах циклического нагружапш неоднородного массива может происходить возрастание (накопление) растягивающих напряжешш па неоднородностях со временем. В режиме Тн/Т0=3 расчеты дают значительный рост растягивающих напряжешш на неоднородностях в части основания, примыкающей к плотине со стороны нижнего бьефа, по крайней мере на протяжении нескольких первых циклов эксплуатации - очевидна связь режима эксплуатации ГЭС с накоплением напряжешш на неоднородностях в ее основании. Прн таких режимах мы имеем дело с процессом накопления отрицательных последствий техногенного воздействия. Рассмотренный пример может служить основой для моделирования геофизических процессов более крупного масштаба.

Глава 6. О напряженном состоянии отдельного блока массива, вмещающего подземное сооружение.

Проблема защиты подземного сооружешы от внешних воздействий, в том числе динамических, может быть наилучшим способом решена при его размещении в отдельном естественном блоке массива - так называемом "ответственном" блоке, обладающим необходимыми качествами: относительной однородностью, прочностью пород, устойчивостью по отношению к внешним воздействиям. Иерархическая система блоков массива составляет определенный подземный "ландшафт" и задача сводится к тому, чтобы наилучшим образом вписать сооружение в этот ландщафт. Если возможно выделить такой блок достаточных размеров, отделенный от остального массива разломами по всем своим границам, то изменения напряженного состояния во внешней по отношешпо к блоку части массива при мощных длгашопериодных воздействиях не будут оказывать существенного в ли яшм на напряженное состояние в блоке, а подвижки будут локализоваться на разломах, оконтури-вающих блок, что обеспечит его сохранность. Для отдельного блока

могут быть поставлены задачи о его напряженно-деформированном состоянии при воздействии изменяющихся во времени объемных сил: возможность расчетов и их достоверность обусловлена определенностью исходного напряженного состояния и возможностью уточнения условий силового взаимодействия по границам блока. Для сооружешш, расположенных на сравнительно большой глубине, опасность представляют мощные динамические воздействия, порождающие в массиве волны сжатия с большими амплитудами (до 10 м/с) и длительностями (соттш мсек). В этом случае длина волны значительно превосходит размеры сооружешш и вмещающего его блока и для анализа может быть использовано квазнстатиче-ское приближение. Для моделирования эффектов такого воздействия разработан метод, основой которого является учет динамических напряжений через дополнительные массовые силы в статической задаче.

Рассмотрено воздействие от плоской волны сжатия треугольного профиля с параметрами нарастания и спада г, и г2 . Максимальное напряжение в волне

где ит - максимальная скорость в волне, аг - соответствующие ускорения. На боковых гранях блока действуют нормальные силы, обусловленные напряжением сжатия в волне, которые при Ь«А можно считать постоянными по площади, и сдвиговые напряжения, обусловленные относительной деформацией соседствующих с блоком участка массива.

В зависимости от соотношений между параметрами волны Л], Л 2 и размером блока Ь получим различные режимы квазистатического нагружения блока. Если Л, «Ь« л2, то блок при нараста-шш напряжешш в волне не успевает сдвш1уться относительно окружающей среды, а затем увлекается тангенциальными силами на боковых разломах и при спаде скорости в волне тормозится касательными силами по боковым граням.

Считается, что напряжешш в волне распределены по вертикали по линейному закону ав = ра2к и добавляются к литостатическим сг = + а2)И . При гаком подходе внешнее воздействие сводится к заданию некоторого эффективного ускорения силы тяжести gl=g + a2, определяющего вертикальные напряжешш

и, таким образом, модельная внешняя нагрузка сводится к дополнительным гравитационным силам.

Описанным методом решена задача о напряженном состоянии отдельного блока массива при-действии объемных сил в длиннопе-риодной волне сжатия. Рассматривались варианты блока, отделенного от массива горизонтальной щелью и вертикальным искусственным или естественным разломом бесконечной или конечной длины н отделенного от массива щелыо и податливыми прослойками (не передающие растягивающих напряжений) снизу и с боков. Внешняя нагрузка определялась величиной эффективного ускорения = ^ (от 1 до 100) и бокового подпора Т. Результаты расчетов представлены в работе в виде набора графиков -зависимостей горизонтальных и вертикальных напряжений в блоке от координат. Анализируются отличия в уровне и характере распределения напряжений в блоке для грех вариантов расчета. Наибольшие растягивающие напряжения достигаются в центре блока и в зоне непосредственно прилегающей к разлому. Для практических оценок выбраны варианты =2 и 5. При этих нагрузках растягивающие напряжения в блоке сравнительно невелики: =2 не приводит к появлешпо опасных растягивающих напряжений в блоке (ст < 10 МПа) или значительных подвижек на вертикальной щели,

при мощном воздействш! =5 для блока, отделенного от массива, заметные растягивающие напряжения отмечаются только вблизи верхнего края блока. Таким образом, в отдельном блоке в практически интересном диапазоне внешних нагрузок не возшпсает на-пряжешш, способных вызвать разрушения самого блока и расположенных в нем выработок. В этом смысле отдельный блок действительно представляет собой элемент массива, устойчивый по отношению к внешним воздействиям: даже значительные изменения напряженного состояния во внешней области не приводят к возникновению критических напряжении в самом блоке.

Предложенная методика моделирования длшшоволнового воздействия дополнительными гравитационными силами позволяет дать оценки величин напряжений и деформаций в блоке и зонах, прилегающих к нему, а также смещений на границах блока. Срав-шггельная простота метода позволяет использовать его для оценок

основных параметров напряженного состояния в массиве в окрестности подземных выработок, необходимых для практики.

Искусственное выделение ответственного блока с помощью щс-лей-экранов по всем его границам допустимо только в том случае, если есть уверенность в сохранении целостности самого блока после его отделения от массива. Перераспределение напряжений при проходке экранов может привести к возникновению растягивающих напряжений на краях блока, к его перемещению по отношешпо к остальному массиву и подвижкам в плоскостях, ограничивающих блок (срыв, проскальзывание). Основной целью проводимых расчетов в задаче о напряженном состояшш массива в окрестности экрана и выработки было выяснение вопроса о том, какие изменения в естественное напряженное состояние массива (в первую очередь области, где размещается сооружение) вносит наличие искусственной щели-экрана. Рассмотрены эффекты, определяемые проходкой экрана, наличием выработки и наличия экранных целиков, а также возможные подвижки по имеющимся и формирующимся трещинам. Проведенный анализ показывал, что наиболее подходящей областью для размещения сооружения является облаегь Ь/2<Н< Ь, Ь -ширина экрана. Формирование вертикальных разломов на краях экрана - боковых граней блока при снятии давления вышележащих пород может привести к перемещению охраняемого блока вверх по отношешпо к остальному массиву и увеличению давлеши на целики снизу. Рассмотрена в упрощешюй постановке задача о деформировании экранных целиков и основного блока, получены оценки величины подвижки и размеров образующихся вертикальных трещин.

Разработанный подход к решению задач о деформировании структурно неоднородной среды с использованием модели твердого тела с неоднородностями позволил рассмотреть задачу о концентрации напряжений на неоднородностях в охраняемом блоке и в целиках в процессе возведешь горизонтального плоского экрана. Появление дополнительных напряжений особенно опасно, когда вблизи находится свободная поверхность. В этом случае на неоднородностях возникают локальные растягивающие напряжения даже тогда, когда внешние нагрузки являются сжимающими. Проведенный анализ возникновения зон растягивающих напряжений в выделяемом ответственном блоке подтверждает вывод о важности выбора расстояния между возводимым экраном и сооружением: концентрация растягивающих локальных напряжений на неоднородностях может достигнуть опасного уровня и привести к возникновению разрушений в массиве еще на этапе строительства. Если рас-

стояние между экраном и сооружением выбрано так, что напряженное состояние в блоке на уровне сооружения соответствует со-стояшпо ненарушенного массива, то указанные эффекты будут скомпенсированы полным напряжением и не приведут к нежелательным последствиям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В работе предложен новый подход к проблеме мониторинга горного массива и создания систем контроля устойчивости массива и подземных сооружений, учитывающий процессы, непрерывно происходя яттще в массиве как в геофизической среде. В результате проведенных исследований предложены методы расчета деформирования релаксирующего структурированного горного массива, которые в сочетании с системой геомеханического контроля способны диагностировать происходящие в массиве и на сооружении изменения для своевременного предупреждения нарушений в окружающей среде и производственном цикле.

Результаты работы могут был. кратко изложены следующим образом:

1. Подробно проанализированы геологические и тектонофнзиче-ские характеристики массива, особенности техногенного воздействия на массив, шахтная сейсмичность и горные удары для одного из крупнейших рудников в России - Кировского рудника АО "Апатит".

2. Сформулированы принципы формирования комплексной системы инструментальных наблюдений на подземных объектах и основные вопросы, на решение которых должны быть направлены проводимые измерения. Дан обзор существующих инструментальных методов исследования и контроля сост ояния горного массива и подземных сооружений. Представлены разработанные в лаборатории геотехнических проблем ИДГ РАН методики измерений относительных перемещений (ДПС), сейсмоакустической эмиссии и регистрации изменений геоэлектрического потенциала, обладающие сравнительной простотой и информативностью. Эти методики существенно дополняют сети сейсмических и сейсмоакустическнх станций на подземных объектах и открытых горных работах.

3. Проведенные в течение многих лет инструментальные наблюдения в подземных выработках Хибинского массива (АО "Апатит") подтвердили работоспособность разработашшх методик и позволили зарегистрировать геомехаиические процессы: горные удары,

как реакцию на горные работа и крупные взрывы, подвижки блоков и характер проявления сейсмоакуетической активности в массиве после динамического воздействия. Результаты натурных измерений показывают, что крупные промышленные взрывы могут служить спусковым механизмом для возникновения горных и горнотектонических ударов. Характерными примерами являются техногенное землетрясение на Кировском руднике ПО "Апатит" 16.04.1989, горный удар при взрыве 24.05.1991, а также процесс деформирования на стыке двух блоков массива, зафиксированный методикой ДПС при взрыве 5.12.1993 и представляющий собой не реализовавшуюся в результате последующей релаксации напряжений подвижку по разлому V ранга. Техногенное воздействие на породный массив, осуществляемое в таких масштабах, может привести к образованию крупных трещин со значительным сейсмическим эффектом, превосходящим соответствующий эффект крупного взрыва.

4. Разработана расчетная модель деформируемой среды со структурой и проведены расчеты напряженного состояния массива как для модельных, так и для конкретных практических задач. Одним из основных назначений предложенных расчетных методик является разработка критериев отбора информации в системе геомеханического мониторинга породного массива на конкретных объектах.

5. Проведенные расчеты реологических деформаций массива в окрестности крупных подземных выработок Рогунской ГЭС показали, что разработанная расчетная модель может дать оценку реологических деформаций выработок сооружения, и позволили разработать практический метод выбора параметров модели на основе сопоставления расчетов с данными натурных измерений.

6. На примере задачи о проходке -цилиндрической выработки большого сечешга разработана расчетная методика прогноза динамической структуры в массиве и ее изменений во времени в виде напряженно-деформационного поля вблизи выработок. Дан прогноз возможных нарушений сплошности в массиве, которые могут произойти со временем и поставить под сомнение устойчивость сооружения. Разработанные расчетные методики позволяют по новому поставить проблему взаимодействия массива с подземными выработками в процессе их строительства с учетом динамической структуры в их окрестности, сопоставить для каждого конкретного случая технологические схемы, отличающиеся темпом и последовательностью проходки, н дать рекомендации по снижению структурных напряжений.

7. Проведенные расчеты обосновали механизм землетрясения 16 апреля 1989г. на Кировском руднике - техногенное землетрясешге (или горный удар тектонического типа) ишщиированно промыга-ленным взрывом. Условия для его возникновения - накопление напряжений на разломе - определяются ходом крупномасштабных горных работ на месторождении: возраст ание локальных сдвиговых напряжений в значительных по размеру областях создает возможность для реализации динамического срыва по разлому с выделешь ем энергии в виде сейсмического возмущения: в данном случае энергия превосходила соответствующий эффект взрыва на 3-4 порядка.

8. Расчетами и натурными измерениями установлена возможность режима релаксации напряжений на разломе при быстром изменении напряжешюго состояния, обусловленном образованием полостей и зон взрывного дробления: напряжения в этом случае могут достигнуть критических величин и, если потери устойчивости блочного массива с образованием трещины вдоль разлома не происходит, реализуется процесс релаксации напряжений на элементах динамической структуры в окрестности разлома, зафиксированный в натурных измерениях. Расчетные методики дают возможность оценить временное запаздывашге реакщш массива, связанное с релаксационными процессами.

9. Анализ напряжешюго состояния при циклическом нагружешш структурно неоднородного массива в основании Ингурской ГЭС из-за периодических изменений уровня водохранилища позволил выявить режимы, при которых происходит возрастание растягивающих напряжений на неоднородностях. Полученные результаты объясняют эффект увеличеши фильтрации через основа1ше плотины при резком спаде уровня воды.

10. Предложен новый подход к решению задачи о защите подземного сооружения от динамических воздействий путем размещения его в отдельном "ответственном" блоке массива. Исследованы особенности простых искусственных способов формирования такого блока, разработаны рекомендащш по обеспечению целостности блока при его отделетш от массива.

11. Разработан метод моделирования напряжешюго состояния отдельного блока массива при мощном доиннопериодаом динамическом воздействии путем учета динамических массовых сил в статической задаче. Предлагаемая методика моделирования позволяет дать оценки величин напряжений и деформаций в блоке и зонах, прилегающих к нему, а также смещений на границах блока. Сравнительная простота метода позволяет использовать его для оценок

В самой общей форме результаты исследований могут быть выражены следующим образом.

Разработанные расчетные методы учета релаксационных процессов в горном массиве как в естественном деформационном режиме, так и при техногенном воздейстшш позволяют моделировать динамические структуры и отличить последствия инженерной деятельности от природных временных изменений. Построенная на этой основе система геомеханического контроля качественно улучшает получаемую при натурных наблюдениях информацию о состоянии массива. Это - новое направление в исследовании природных тел и искусственных сооружешш.

Основное содержание диссертащш опубликовано в следующих работах:

1. О механизме дробления твердой среды взрывом. ДАН СССР, т.231, N5, 1976, с. 1067-1069. (Сизов И.А., Цветков В.М.)

2. О мехашгзме разрушения хрупкой среды при камуфлетном взрыве. ФТПРПИ, N6, 1977, с.48-56. (Сизов И.А., Цветков В.М.)

3. Влияние местных геологических условии на параметры сейсмовзрывных волн. Труды IX конференции МФТИ ч.1, 1984, с. 122-128. (Кочарян Г.Г.)

4. Оценка напряженного состояшы и устойчивости кровли камер камерно-целиковой системы разработки условиях рудника Умбозеро. В сб. Геомех. обеспечение разработки месторожд. Кольского полуострова. Апатиты, 1989, с.68-74. (Ловчиков A.B., Жданов Р.И., Васильева Т.В.)

5. О механизме техногенного землетрясения в Хибинах. ДАН СССР, т.314, N4, 1990, с.830-833. (Тряпшщн В.М.)

6. Особенности проявления горного давления при отработке месторождений в высоконапряженных и тектонически нарушенных массивах. ФТПРПИ, N5, 1991 (Тряпицин В.М.)

7. О разуплотнении твердой среды при взывных воздействиях. В сб. "Деформируемые среды при импульсных нагрузках", Киев, Наук. Дум., 1992, с. 17-26. (Сизов И.А., Цветков В.М.)

8. О комплексной системе шктрументальных наблюдений за состоянием массива и выработок в период строительства и эксплуатации подземного сооружения.В сб.Контроль состояния скального массива при долговременной эксплуатации

крупногабаритных подземных сооружешш. Апатиты, 1993, с.49-64.

9. Диес1шапш1п>1е процессы в горном массиве и проблема освоения подземного пространства. Труды X Международной конференщш по механике горных пород. Ред. Н.П.Лаверов. М., ИГД Ilm. А.А.Скочинского, 1993, с.39-53. (Сизов И.А.)

10. Натурные измерения ссйсмоакуспгческой эмиссии в горном массиве. ФТПРПИ, N1, 1994, с.24-29. (Елизаров В.К., Евменов

B.Ф.)

11. Натурные измерения относительных перемещений в горном массиве при мощном техногенном воздействшь В сб. Д1шамические процессы в геосферах: геофизика сильных возмущешш.М., Наука, 1994, с. 80-87. (Кондратьев C.B., Рыбнов Ю.С.)

12. О проявлении структурных нарушений в земной коре при крупномасштабных техногенных воздействиях. В сб. Динамические процессы в геосферах: геофизика сильных возмущешш. Ред. Ю.И.Зецер. М., Наука, 1994, с.69-79. (Осипов К.Г.)

13. Натурные измерения вариаций геопотенциала в горном массиве при техногенных воздействиях. В сб.: Динамические процессы во внутренних и внешних оболочках Земли (геофизика сильных возмущений). М., 1995, с. 223-236. (Рыбнов Ю.С., Кондратьев

C.B., Харламов В.А., Тряпицин В.М.)

14. О напряженном состоянии структурно неоднородного горного массива в окрестности подземных сооружешш. ФТПРПИ, №6, 1996, с.31-43. (Родионов В.Н.)

15. О нарушении устойчивости структурно неоднородного горного массива при техногенных воздействиях. ФТПРПИ, №5, 1997, с. 23-31. (Кондратьев C.B.)

16. Об устойчивости структурно неоднородного горного масива в окрестности подземного сооружения. Проблемы механики горных пород. Труды XI Российской конференщш по механике горных пород. С.Петербург, 1997, с. 409-414. (Родионов В.Н.)

17. On fracture mechanism of rocks by explosion. "Impact and Explosion Cratering", Perg. Press, 1977, p.669-685 (Сизов И.А., Цветков В.М.)

18. On dilatancy of rocks by explosive effects. Proc. 12th Lunar and Planetary Science Conf., Houston, USA, 1981 p. 1065-1067 (Сизов И.А., Цветков B.M.)

19. Geologic and tectonic characteristics of rockbursts. Lawrence Livermore National Laboratory. Contract No.B239743, 1995. pp.119 (Шемякин Е.И., Турунтаев С.Б.)

20. Dissipation processes in a rock mass and the problem of long-term stability of underground constructions. Proc. of 8th Int. Congress on rock mechanics, Tokyo, 1995, v.3, A.A.Balkema, Rotterdam, Brookfleld. (Сизов И.А., Осипов К.Г.)

21. On some exhibitions of structure heterogeneities in rock massif as the effect of large-scale action. Proc. ISRM Symposium EUROCK'96, Torino, A.A.Balkema, Rotterdam, 1996, v.l, p.483-490. (Кондратьев С.В., Рыбнов Ю.С.)

22. On disturbanses of rock massif balance from man-made actions. Proc. Int. Symp. "Engineering geology and the enviroument", Athens, v.3, A.A.Balkema, Rotterdam, Brookfield, 1997, p. 2885-2890. (Васильева T.B.)

23. The Kirovskiy explosion of September 29, 1996: example of a CTB event notification for routine mining blast. Proc. 19th Annual Seismic Research Symp. on Monitoring a Comprehensive Test Ban Treaty, Orlando, USA, 1997, p.642-651 (Leith W., Baumgardt D., Rybnov Y.S.).

Информация о работе

Сырников, Николай Михайлович
доктора физико-математических наук
Москва, 1997
ВАК 04.00.22

Автореферат

Похожие работы