Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геомеханический анализ формирования геологических аномалий в осадочном чехле

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Геомеханический анализ формирования геологических аномалий в осадочном чехле"

На правах рукописи

005005059

Федосеев Антон Кимович

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ АНОМАЛИЙ В ОСАДОЧНОМ ЧЕХЛЕ

О

Специальность 25.00.20 Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

- 8 ДЕК 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь - 2011

005005059

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Горный институт Уральского отделения РАН

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Барях Александр Абрамович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Зотеев Олег Вадимович

доктор технических наук, профессор Серяков Виктор Михайлович

Ведущая организация: Пермский национальный исследовательский

политех1шческий университет

Защита состоится «23» декабря 2011 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 004.026.01 при Учреждении Российской академии наук Горный институт Уральского отделения РАН по адресу: 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института УрОРАН.

Автореферат разослан «22» ноября 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.г.-м.н., доцент

Бачурин Б. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы:

Неоднородное строение осадочного чехла (наличие зон трещиновато-сти, участков пониженной прочности, областей структурных и вещественных изменений) в значительной мере обусловлено геомеханическими процессами, связанными с деформированием породных толщ при осадконакоплении, тектоническими движениями, развитием полостей и другими видами механических воздействий. Их реализация происходила на различных этапах геологической истории в разной форме и оставила свой «отпечаток» в современном строении осадочных толщ. Несмотря на сложность проблемы и неоднозначность ее параметрического обеспечения, применение аппарата математического моделирования изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) осадочных толщ открывает перспективу выявления взаимосвязи пространственного распределения природно-нарушенных зон с палео-геомеханическими процессами.

Задача локализации аномалий геологического строения имеет не только самостоятельное фундаментальное значение, но и является крайне важной для теории и практики освоения георесурсов и обеспечения сохранности наземных сооружений.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научных исследований Горного института УрО РАН по госбюджетным темам «Исследование процессов деформирования и разрушения конструктивных элементов систем разработки месторождений полезных ископаемых» (№ гос. per. 01200112855) и «Геомеханическое обеспечение высокоэффективного и безопасного освоения месторождений водорастворимых руд в зонах градопро-мышленных агломераций» (№ гос. per. 01200955521); по программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные проблемы механики взаимодействий в технических и природных системах (проект «Деформирование и разрушение крупномасштабных горнотехнических объектов»); по программе Отделения наук о Земле РАН «Крупные и суперкрупные месторождения стратегических видов минерального сырья: геологические особенности, условия формирования, фундаментальные проблемы комплексного освоения и глубокой переработки» (проект «Освоение углеводородного сырья и минерального комплекса уникального Верхнекамского месторождения»); по грантам РФФИ: №00-05-65330 («Деформирование и разрушение осадочных толщ в процессе их формирования и техногенного воздействия»), №06-05-64204 («Математическое моделирование процессов осадконакопления») и №09-05-99031 («Геомеханическая оценка негативного воздействия карстовых процессов на урбанизированные территории»).

Цель работы - разработка теоретических основ геомеханической оценки условий формирования аномалий геологического строения осадочных толщ, осложняющих ведение горных работ и функционирование наземных инженерных сооружений.

Идея работы - применение методов математического моделирования для оценки изменения состояния осадочного массива в процессе геологических преобразований.

Задачи исследований;

1. Выполнить анализ и обобщение геологической и геофизической информации, связанной с аномальными природными объектами осадочного разреза, представляющими потенциальную опасность для ведения горных работ и функционирования наземных инженерных сооружений.

2. Построить математическую модель формирования геологических аномалий осадочного чехла.

3. Разработать параметрическое обеспечение ретроспективных геологических моделей.

4. Выполнить многовариантное численное моделирование изменения НДС геологических аномалий осадочного чехла в процессе их формирования и развития.

5. На основе критериальных подходов оценить влияние факторов, определяющих формирование аномальных геологических объектов в осадочном чехле.

6. Установить взаимосвязи пространственного распределения природно-нарушенных зон осадочного чехла с палеогеомеханическими процессами.

Методы исследований включали анализ и обобщение геологических и геофизических данных, применение аппарата механики сплошных сред, использование алгоритмов и процедур численных методов математического моделирования.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Методами математического моделирования установлено, что наличие в нижних этажах осадочного чехла неоднородностей в виде рифогенных образований создает предпосылки к формированию в верхней части осадочных отложений природно-ослабленных зон, интенсивность которых обусловлена комплексом следующих основных факторов:

- изменением градиента роста механических параметров пород осадочного чехла;

- значением современных средних механических свойств осадочных пород;

- геометрическими характеристиками рифа;

- наличием в осадочной толще пластов с пониженными по сравнению с вмещающими породами механическими свойствами;

- взаимным расположением рифов различных формаций.

2. В рамках геомеханического анализа показано, что структурная поверхность соляной толщи формируется под действием гравитационных процессов, связанных с давлением вышележащих надсолевых отложений, которые обусловливают неоднородность поля напряжений и создают предпосылки к образованию субвертикальных трещин. На всех этапах формирования осадочной толщи зоны потенциальной опасности существования субвертикальных трещин сдвига связаны с мульдовыми частями прогибов и со склонами

куполов, а трещины отрыва могут охватывать и отдельные купола соляной залежи.

3. На основе критериев обрушения пород кровли построена модель карстовой полости, отражающая упруго-пластический характер деформирования кар-стующихся пород и учитывающая изменение ее формы в процессе роста. С использованием критерия потери устойчивости карстовой полости определены три возможных сценария образования карстовых провалов, охватывающих весь спектр размеров карстовых воронок: обрушение в краевой части, высыпание пород в центральной части и полное обрушение кровли полости.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием объективной геомеханической и геофизической информации; корректным применением аппарата механики твердого деформируемого тела; качественным соответствием результатов, полученных при математическом моделировании, наблюдаемым осложнениям в осадочном чехле.

Научная новизна работы

1. На основе методов механики растущего тела построена математическая модель формирования осадочного чехла.

2. Сформулированы подходы к количественному параметрическому обеспечению ретроспективных математических моделей формирования осадочного чехла, основанные на предположении, что, в отсутствие на постсе-диментациошюй стадии значительного перемещения осадочного материала, нагрузку, действующую на произвольные элементы геологического разреза, можно задать исходя из их современных плотностных свойств и мощностей.

3. Методами математического моделирования показано, что гравитационные процессы определяют общий структурный план соляной толщи и пространственное распределение в ней неоднородностей поля напряжений.

4. Предложен критерий обрушения пород в окрестности карстовой полости, учитывающий пространственное положение зон действия растягивающих напряжений и локализации пластических деформаций.

Практическая значимость

1. Выполнен прогноз аномальных разрезов соляной толщи Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС), возможных над рифогенными образованиями девонского возраста, представляющий основу для проведения детальных геолого-геофизических исследований особенностей ее строения.

2. Построена схема районирования центральной части ВКМКС по опасности формирования в соляном массиве природных трещин субвертикалыюй ориентации.

3. Предложена методика прогнозирования возможных размеров провалов на земной поверхности в зависимости от условий залегания карстующихся сульфатных пород на территории Пермского края.

Реализация работы: 1. Выводы и рекомендации, связанные с аномалиями строения соляной толщи над рифогенными образованиями и наличием зон, в которых возможно формирование субвертикальных трещин, используются геологической служ-

бой ОАО «Уралкалий» при постановке детальных геолого-геофизических работ с последующей их геомеханической интерпретацией, направленной на оценку безопасных условий подработки водозащитной толщи. 2. Подходы к исследованию механизмов образования карстовых провалов на земной поверхности включены в комплексную методику оценки потенциальной опасности погребенного карста для урбанизированных территорий («Методические рекомендации по проведению инженерно-геологических изысканий на карстоопасных территориях (на примере Пермского края)», Москва, 2009 г.).

Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Восьмом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001 г.), Международной конференции «Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов» (Волгоград-Пермь, 2001 г.), Международной конференции «Напряженное состояние породного массива и наведенная геодинамика недр» (Бишкек, Киргизия, 2006 г.), конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск, 2009 г.), международных конференциях «Неделя горняка - 2008» и «Неделя горняка - 20011» (г. Москва), межрегиональной научной конференции «Геомеханика в горном деле» (Екатеринбург, 2009 г), научных сессиях и семинарах Горного института УрО РАН (Пермь, 2000 - 2011 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем работы и ее структура. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 114 страниц машинописного теста, включая 55 рисунков, 1 таблицу и список использованной литературы из 111 наименований.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность за помощь в работе сотрудникам лабораторий механики горных пород, физических проблем освоения георесурсов, активной сейсмоакустики и геологии месторождений полезных ископаемых Горного института УрО РАН.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Состояние изученности вопроса и задачи исследований

Математическому моделированию НДС геологических объектов посвящено значительное число научных работ. Основная их часть (работы Ар-дашева К.А., Борисова A.A., Булычева Н.С., Зотеева О.В., Крауча C.JL, Кур-леня М.В., Руппенейта К.В., Салганика Р.Л., Серякова В.М., Юфина С.А. и многих других) связана с проблемами разработки месторождений полезных ископаемых и ориентирована на анализ взаимодействия техногенных полей напряжений с теми или иными геологическими неоднородностями. Еще один класс задач крупномасштабного математического моделирования направлен на теоретическую оценку региональных полей напряжений (Бикман Ф., Зубков В.В., Линьков А.М, Мерсьера Дж.Л., Михайлов В.О., Назаров Л.А., На-

зарова JI.A., Стефенсон P.A., Шерман С.И. и др.) и исследование современных геодинамических процессов (в первую очередь - это работы В.П. Трубицына, а также Дядькова П.Г., Зонненшайна Л.П., Назарова Л.А., Назаровой Л.А., Николаева П.Н., Ротвайна И.М., Савостина Л.А., Соболева П.О., Соловьева A.A., Теркота Д., Шуберта Дж. и др.)

Гораздо меньше внимания уделено проблемам формирования и изменения НДС осадочного чехла в геологическом времени. Исключение, возможно, составляют работы по моделированию складчатости и разрывных нарушений в результате тектонических движений, проводимые, в частности, В. Ярошевским.

Основная часть геомеханических исследований геологических процессов в осадочном чехле, начиная с работ А. Бирбаумера, К. Терцаги, C.B. Аль-бова и заканчивая современными исследованиями Аникеева A.B., Постоева Г.П., Стажевского С.Б., Хатзора И, Цветкова Р.В. и др., сосредоточена на описании НДС пород в окрестности карстовой полости, в силу значительного влияния карста на хозяйственную деятельность человека.

С другой стороны, особенностям тектонической структуры (и причинам их формирования) таких уникальных объектов, как ВКМКС, посвящено значительное число геологических изысканий. Высказанные в работах A.A. Иванова, Б.М. Голубева, В.И. Копнина, А.И. Кудряшова, И.И. Чайковского, Н.М. Джиноридзе предположения и гипотезы могут служить побудительным мотивом для геомеханического моделирования.

Также вне поля зрения геомеханики оказались и вопросы влияния не-однородностей в нижних этажах осадочного чехла на состояние вышележащей толщи, хотя в геофизических исследованиях A.A. Маловичко, И.А. Сан-фирова, В.М. Новоселицкого, Д. Райта, А. Д. Макинтоша, Г. А. Маквитте и др. были отмечены аномалии строения соленосной толщи над рифогенными образованиями.

Можно заметить, что большинство задач о НДС осадочного чехла характеризуется изменением конфигурации и объема изучаемого объекта в процессе нагружения, а также зависимостью его физико-прочностных характеристик от времени и пространственных координат. Математическим аппаратом для решения такого класса задач является механика растущих стареющих вязко-упруго-пластических тел, в том или ином виде применявшаяся для анализа широкого класса строительных, технических и даже биологических проблем в работах Басевича А.З., Вайнберга А.И., Дятловицкого Л.И., Рашба Э.И., Трапезникова Л.П., Шульмана С.Г. и др. и получившая наибольшее развитие и теоретическое обоснование в исследованиях Арутюняна Н.Х., Манжирова A.B. и их учеников.

В спектр таких задач и попадают рассматриваемые в диссертации модели, связанные с формированием осадочного чехла, роста и обрушения карстовых полостей.

Геомеханическая оценка влияния рифогенпых образований на состояние соляных пород ВКМКС

Результаты анализа и обобщения сейсморазведочных материалов на площади ВКМКС показали наличие осложнений волновой картины в интервале подошвы соляной толщи, которые по ряду признаков соответствуют зонам разрывных нарушений. Эти осложнения встречаются, в основном, на крыльях структур облекания девонско-турнейских рифовых массивов.

Приуроченность выявленных осложнений строения соляной толщи к рифогенным постройкам может быть обусловлена изменением литостатиче-ского поля напряжений при формировании перекрывающих толщ. Для оценки достоверности этой гипотезы выполнялось математическое моделирование изменения НДС осадочного чехла в процессе его формирования. Этот анализ включал исследование распределения напряжений в осадочной толще и оценку возможности образования в ней зон повышенной трещиноватости.

Формирование осадочного чехла над рифогенными образованиями может быть представлено в виде процесса последовательного наращивания слоев различных осадочных пород (рис. 1.).

Деформирование любого выделенного элемента геологического разреза в отсутствие других силовых источников (например, тектонических движений) осуществляется под действием собственного веса и веса вышележащих пород. В этих условиях основная сложность математического моделирования процесса осадконакопления, даже в упругой постановке, связана с отсутствием информации о начальных физических свойствах пород, их изменении во времени, а также латеральной изменчивости мощности отложений. Однако, если предположить, что на постседиментационной стадии формирования произвольного элемента разреза не происходит значительного перемещения материала, то у А = const (у- удельный вес пород, h- мощность отложений) на любой (/-ый) момент геологического времени. Данное допущение существенно упрощает постановку задачу и снижает неопределенность расчетной модели, поскольку в этом случае па каждом шаге решения нагрузку вышележащих пород можно задать исходя из современных плотностных свойств и мощностей.

В процессе осадконакопления и литофикации пород изменяются их механические характеристики, определяющие напряженно-деформированное состояние осадочных толщ. Априори можно утверждать, что в геологическое время происходит увеличение прочностных и деформационных показателей пород. Однако количественные выражения этих зависимостей для различных литологических разностей неизвестны.

Рис. 1. Поэтапное формирование осадочного чехла над рифом

На примере изменения модуля упругости от начальных (Ешч) до современных (Есовр) значений можно выделить три основных этапа упрочнения (рис.2,а): за счет начального гравитационного уплотнения материала (I - на рис. 2,а), вследствие установления новых физико-химических связей (II - на рис.2,а) и переход к современным свойствам (III - на рис.2,а). Решающую роль, очевидно, будет играть второй этап, поэтому, для упрощения модели литофикации, исходная кривая аппроксимируется кусочно-линейной функцией с преобразованием пологих участков в горизонтальные (I и III- на рис. 2,6). Тогда достаточно рассмотреть линейный закон упрочнения (II - на рис.2,б) и варьировать только интенсивность этого процесса (угол а).

I п ш ' I п in

Рис. 2. Изменение прочностных и деформационных свойств пород в процессе осадконакопления

Оценка степени изменения состояния осадочного чехла над рифоген-ньми образованиями проводилась с позиции потенциальной возможности

формирования в массиве трещин субвертикальной ориентации. Опасность их образования оценивалась по параметру

Здесь 5х=гша1{С + 1%д>ст„) (гпж =(а1-ст3)/2,аГ1=(сг1 +<т3)/2,ег1,о-3 - главные напряжения, С, <р - константы) - критерий Кулона-Мора, а - значение критерия для литостатического состояния (в отсутствие рифа) осадочной толщи.

Отдельно расположенный риф с достаточной степенью точности может быть представлен в виде фигуры вращения, поэтому трехмерная задача определения напряженно-деформированного состояния в осадочном чехле над рифом в большинстве случаев может быть сведена к осесимметричной.

Решение задачи осуществлялось в следующей последовательности. Первоначально определялось напряженно-деформированное состояние осадочного чехла, состоящего из одного выделенного элемента. Полученные напряжения рассматривались как начальные на следующей стадии решения. После этого свойства слоя изменялись.

На втором этапе рассматривалась задача для осадочного чехла, состоящего из двух выделенных слоев. При этом во втором слое определялись перемещения и напряжения, а в первом - только приращения перемещений и напряжений от действия веса второго слоя. На границе между слоями действуют условия полного сцепления. Данный процесс продолжался до тех пор, пока не были рассмотрены все выделенные структурные элементы геологического разреза. Отметим, что на каждом этапе мощность нового слоя подбиралась так, чтобы под действием силы тяжести его верхняя граница оказалась горизонтальной.

Для выявления основных закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния осадочного чехла рассматривался геологический разрез, состоящий из однородных, по конечным свойствам и законам упрочнения, слоев одинаковой мощности.

Полученные результаты показали (рис.3), что наличие рифовых построек отражается на характере распределения напряжений в вышележащих толщах. Например, в осадочных отложениях, приуроченных к склоновой части рифа, наблюдается увеличение вертикального напряжения (рис. 3,6). В то же время у основания рифа имеет место относительная разгрузка. Распределение радиальных (рис.3,а) и тангенциальных (рис.3,в) напряжений характеризуется наличием зон пониженных сжимающих напряжений над рифом в средней и верхней частях осадочного чехла. Зона повышенных касательных напряжений (рис.3,г), так же как и вертикальных, приурочена к склоновой части рифа. При этом характер распределения напряжений указывает, что зона влияния рифа увеличивается с удалением от его свода вверх по разрезу.

Рис. 3. Изменение напряженно-деформированного состояния осадочного чехла

над рифом

На рис.4 представлено характерное распределение критериального параметра 5=5Л/50 в осадочных отложениях над рифом. Зона его максимума находится непосредственно над склоном рифа. С удалением вверх по разрезу зона влияния рифа увеличивается, а степень его воздействия уменьшается. Вторая зона повышенных значений критерия расположена в верхней части осадочного чехла, и именно она оказывает непосредственное влияние на возможность образования ослабленных зон в соляной толще.

э

Рис. 4. Распределение критериального параметра 5

Для оценки влияния тех или иных факторов на результаты моделирования и снижения параметрической неопределенности модели проводились

многовариантные численные эксперименты. По их результатам были выявлены следующие закономерности:

- уменьшение градиента роста механических параметров (коэффициента упругости) ведет к незначительному снижению вероятности образования трещин в верхних слоях осадочного чехла;

- изменение начальных свойств пород практически не оказывает влияния на характер ослабленных зон;

- понижение современных средних механических свойств осадочных пород над рифом, увеличение крутизны склона рифа или его высоты повышают вероятность формирования ослабленных зон в верхних этажах осадочного чехла;

- наличие в осадочной толще пластов с пониженными по сравнению с вмещающими породами механическими свойствами (характерный пример - ар-тинский горизонт) приводит к расширению зоны повышенных значений принятого критерия трещинообразования в соляной толще. В случае если пониженными свойствами обладают пласты, непосредственно облегающие риф, наблюдается заметное повышение критериальных оценок в интервале соляной толщи;

- рифогенные образования пермского периода, ввиду их небольших размеров, сами по себе оказывают незначительное влияние на формирование зон возможной повышенной трещиноватости в соляном зеркале, однако при соответствующем расположении относительно девонских рифов могут усиливать влияние последних.

Полученные выводы были продемонстрированы на примере Ростовиц-кой нефтеперспективной структуры, где по результатам моделирования геометрия рифа и мощные артинские отложения оказывают заметное влияние на интенсивность и топологию возможных аномальных зон, что согласуется с интерпретацией данных сейсморазведочных работ.

Таким образом, установлено, что наличие в нижних этажах осадочного чехла рифогенных образований создает предпосылки к формированию в верхней части разреза природно-ослабленных зон, интенсивность которых определяется проявлением и сочетанием различных геологических факторов.

Гсомсханичсскин прогноз распределении зон трещиноватости в соляной

толще ВКМКС

В процессе ведения очистных и подготовительных работ на шахтных полях центральной части ВКМКС были выявлены природные открытые трещины. Их наличие снижает эффективность горных работ, требует применения не предусмотренных заранее дополнительных мер защиты рудников от затопления, вплоть до оставления предохранительных целиков значительных размеров.

Для проверки гипотезы о том, что образование этих трещин может быть связано с временной и пространственной неоднородностью гравитаци-

онного воздействия на соляную толщу вышележащих пород, на основе теоретических подходов, разработанных в предыдущей главе, проводилось математическое моделирование поэтапного формирования надсолевых отложений.

В качестве базовой принималась схема, отражающая палеореконструи-рованный рельеф соляной толщи на момент начала формирования надсолевых отложений. Оценка изменения его конфигурации в процессе осадкона-копления производилась путем поэтапного (пошагового) решения геомеханических задач, каждой из которых соответствовала новая трансформированная расчетная схема. Каждый шаг решения отражал формирование «новой» толщи надсолевых отложений (рис.5): переходной пачки (1111), соляно-мергельной толщи (СМТ) и терригенно-карбонатной толщи (ТКТ), - соответственно. Из решения задачи при соответствующих данному этапу нагруже-ния механических свойствах для каждого геологического элемента определялись дополнительные перемещения, по которым вычислялись дополнительные деформации и напряжения. На следующем шаге к деформированной верхней границе отложений добавлялся новый, уже невесомый, элемент и определялись соответствующие свойства всех представленных в разрезе пород. После завершения последнего этапа математического моделирования процесса осадконакопления производилось сопоставление полученного геологического разреза с фактическим. При существенных различиях в результатах проводилась корректировка начальных мощностей и вычислительная процедура, начиная с первого этапа, повторялась заново. Процесс решения считался завершенным при наличии соответствия между расчетным и фактическим современным геологическим разрезом.

Для оценки потенциальной возможности образования субвертикальных трещин в соляной толще под воздействием веса накапливаемых надсолевых отложений сначала выполнялись «пилотные» двухмерные расчеты применительно к реальному геологическому разрезу.

Результаты математического моделирование показали, что расчетная структура основных элементов геологического разреза, полученная как результат их деформирования под действием сил тяжести, согласуется с фактическими данными. Согласно выполненным оценкам в процессе формирования надсолевых отложений создаются предпосылки к образованию в соляной толще субвертикальных трещин. При этом, расчетные зоны концентрации максимальных касательных напряжений и горизонтальных деформаций растяжения на различных стадиях осадконакопления достаточно четко контролируют пространственное положение трещин, выявленных в пределах отработанной части шахтного поля Третьего Соликамского рудника.

-К iy. yy.-y. :•::•:•:

й д

У1Н1 — современные плотность и мощность ПП '¡'2Н2 - современные шюшос 1Ь н мощность СМТ УзНз - современные шюшоеть и мощное 1Ь ТКТ

Рис. 5. Расчетные схемы на этапах формирования ПП (а), СМТ (б), ТКТ (в)

Для локализации зон природной трещиноватости в рамках изложенного выше подхода производилось трехмерное математическое моделирование изменения в процессе осадконакопления напряженно-деформированного состояния соляной толщи в пределах всей центральной части ВКМКС. На рис. 6 для этой площади представлены аксонометрические аналоги современных фактического и расчетного структурных планов кровли ГЖС. Наблюдается генеральное согласование результатов математического моделирования с реальными данными, что, в определенной степени, указывает на адекватность результатов математического моделирования.

Анализ изменения напряженно-деформированного состояния соляной толщи в процессе осадконакопления показывает, что на всех этапах седиментации распределение в плане главных напряжений является достаточно неоднородным. На стадии формирования ПП зоны сжимающих субгоризонтальных напряжений охватывают мульды и прогибы. Растягивающие напряжения приурочены к куполам и поднятиям. На этапе отложения СМТ распределение этих напряжений является относительно однородным. Это, по-видимому, связано с меньшей изменчивостью мощности СМТ.

Рис. 6. Трехмерное представление фактического (а) и расчетного (б) структурных планов кровли ПКС

После формирования ТКТ распределение субгоризонтальных напряжений имеет инвертированный по отношению к первому этапу характер. Зоны сжатия теперь связаны с куполами, а прогибы оказываются в зонах растяжения. Максимальные субвертикальные напряжения сжатия на всех этапах отложения надсоляных пород приурочены к мульдам.

Возможность образования в соляной толще трещин субвертикальной ориентации оценивалась на качественном уровне по следующим показателям: напряжения и деформации растяжения, критерий Кулона-Мора.

Результаты обобщенного анализа опасности развития в соляной толще субвертикальных природных трещин представлены на рис. 7. Прогнозные зоны трещиноватости построены путем наложения оценок по всем принятым в расчетах критериям с учетом относительной интенсивности их показателей. Согласно данным математического моделирования предполагается ухудшение шрно-геологических условий разработки в районе восточной и западной границ северной части шахтного поля Третьего Соликамского рудника и на южном фланге Второго Соликамского рудника. Еще большая опасность существования зон природной трещиноватости прогнозируется на Боровском и Половодовском участках.

- шн, ныдолеииые по деформациям растяжения

н критерию Кулова-Мора

- юны. выделенные по растягивающим

напряжениям

- ЗОНЫ, выделенные но обоим 1фитсрнмм

- зоны трещиноватое™, ВЫДСЛСНИЫС по пласту Вс

- геологоразведочные сквяжнны - - фатгипы участков

- - (ранним блоков

Рис. 7. Прогнозные зоны трещиноватости и район трещин, вскрытых при отработке 5-ой панели на СКРУ-3 в 2010-2011 гг

Изученные к началу проведения геомеханических исследований трещины Новосоликамского участка попадают в прогнозные области, а ориентация этих трещин согласуется с результатами моделирования. Еще одним подтверждением приведенного прогноза стало вскрытие в 2010-2011 гг. (т.е., по окончании исследовательских работ) субвертикальных трещин при отработке 5-ой панели рудника СКРУ-3 (Тверетинская мульда, район скв. 618).

Таким образом, гравитационные процессы, связанные с давлением вышележащих отложений в процессе их формирования, определяют общий структурный план соляной толщи и создают предпосылки к локальному образованию субвертикальных трещин.

Обоснование механизма формирования карстовых провалов на земной

поверхности

Территории, подверженные карстовым процессам, занимают, около 16 % площади нашей страны. Их хозяйственное освоение связано с осложнениями инженерно-геологического, гидрогеологического, горно-технического, экологического характера. Чтобы противостоять указанным процессам, необходимо ясно представлять особенности эволюции НДС областей, которые в закарстованных провинциях характеризуются специфичным геологическим разрезом и присутствием пустотных аномалий. Отсюда вытекает задача об оценке влиянии геологических процессов, происходящих в приповерхностном слое осадочного разреза, на состояние земной поверхности. В отличие от приведенных выше моделей, здесь изменение конфигурации исследуемого объекта происходит в результате потери им некоторой части своего объема, однако класс задач остается тем же самым.

Сложный процесс развития карста в структурированном виде можно представить следующей последовательностью: 1) образование полости; 2) рост полости вследствие процессов выщелачивания; 3) достижение полостью предельных размеров; 4) обрушение в полость вышележащих пород (пластичных и сыпучих), ее дальнейшее развитие и, связанная с этими процессами, деформация земной поверхности; 5) постепенное заполнение полости разрушенными породами и образование при определенных условиях провала на земной поверхности.

Для оценки опасности воздействия карста на здания и сооружения нет необходимости в подробном исследовании гидрогеохимических процессов, приводящих к образованию карстовой полости. Достаточно определить начальные размеры и форму полости, которые не внесут ощутимой погрешности на конечный результат решения задачи.

Без потери общности можно предположить, что полость формируется в почве карстующихся пород. Это соответствует потенциальной возможности достижения ею максимальных размеров и позволяет получить верхние оценки интенсивности воздействия карста на здания и сооружения. Тогда, мощность сульфатных отложений тг, наряду с глубиной залегания карстующихся отложений НТ, будут играть определяющую роль при оценке предельных размеров карстовых полостей и характера обрушения в них вмещающих пород.

Для определения НДС пород в окрестности карстовой полости использовалась модель идеальной упруго-пластичной среды с внутренним трением. В качестве параметра пластичности в области сжатия использовалась параболическая огибающая кругов Мора. Условием локализации пластических деформаций являлось выполнение равенства

г шах = т* = ^(<хр + а)[2ар - (ар + ас) + сг,],

а в области растяжения -

где ос - предел прочности на сжатие, а р- предел прочности на растяжение.

Увеличение размеров карстовой полости может происходить в результате процессов растворения и суффозии, разрушения и обрушения вмещающих пород. С точки зрения оценки критических (предельных) размеров карстовых полостей важным является не собственно процесс роста полости, а в большей степени механизм обрушения пород, и, как следствие, изменение формы карстовой полости.

Прочность на растяжение горных пород значительно ниже их показателей при сжатии. В этой связи локализация растягивающих усилий в каких-либо областях породного массива является признаком (критерием) их разрушения. Вместе с тем, очевидно, что разрушенные под действием растягивающих напряжений породы не будут обрушаться в карстовую полость, если они окружены материалом, не потерявшим своей несущей способности. Поэтому в качестве условия обрушения пород в окрестности карстовой полости принимался выход зоны действия растягивающих напряжений на обнажение.

В горных породах пластическое деформирование реализуется за счет процессов трещинообразования. Не случайно, для описания поверхности текучести горных пород используются те же уравнения (критерий Кулона-Мора в различных формах, Друкера-Прагера и т.д.), что и для определения критериев разрушения. По аналогии со случаем действия растягивающих напряжений, можно предположить, что при локализации пластических деформаций непосредственно на обнажении будет происходить обрушение пород в карстовую полость.

Реализация этих критериев обрушения осуществлялась путем организации итерационного процесса, на каждом шаге которого из рассмотрения исключались (обнулялись) конечные элементы, примыкающие к границе кровли, при концентрации в них растягивающих горизонтальных напряжений или пластических деформаций.

Таким образом, критерием обрушения пород в окрестности карстовой полости является выход зоны действия растягивающих напряжений или пластических деформаций на обнажение. Условие же потери устойчивости самой карстовой полости (динамическое обрушение) и образования провала на земной поверхности - их реализация по всей мощности сульфатной потолочины.

С учетом отмеченных критериальных подходов алгоритм определения предельного размера и формы карстовой полости включал последовательное решение задач о напряженно-деформированном состоянии пород в окрестности растущей карстовой полости, отражающих процесс обрушения кровли. Полученная на предыдущем этапе форма карстовой полости являлась начальной для последующей стадии решения. Итерационный процесс завершался, когда область растягивающих напряжений и пластических деформаций распространялась на всю мощность гипсовой потолочины. Кроме того, на каждой итерации отслеживался объем пород, обрушенных в карстовую

полость, и, если полость оказывалась заполненной, итерационный процесс останавливался. В этом случае считалось, что могут реализоваться только статические карстовые деформации (просадки) и провал на земной поверхности не образуется.

Г этап П этап ПТ этап

| - зона растягивающих напряжений в кровле полости Ц - зона локализации пластических деформаций

Рис. 8. Изменение формы карстовой полости в процессе ее развития и достижения предельного размера

На рис. 8 представлены основные стадии итерационного процесса, описывающего рост карстовой полости (в силу симметрии задачи рассматривается только половина расчетной области). На первом этапе вследствие увеличения латерального размера полости обрушение пород кровли происходит за счет действия растягивающих напряжений. При этом поперечное сечение полости стремится к образованию устойчивой арочной формы. После выхода зоны пластических деформаций (второй этап) на обнажение в краевой части полости процесс обрушения становится необратимым. Когда зона пластических деформаций распространяется на всю толщу гипсов (третий этап), происходит динамическое обрушение всей гипсовой потолочины и образование провала на земной поверхности.

На рис. 9 представлены построенные по результатам многовариантных расчетов зависимости предельного пролета карстовой полости апр от мощности карстующихся пород и глубины их залегания. Данные графики показывают, что с увеличением глубины залегания карстующихся пород происходит однозначное уменьшение предельного пролета карстовой полости. В свою очередь увеличение мощности сульфатов при фиксированной глубине их залегания вначале обусловливает рост предельных пролетов карстовой полости, а затем их стабилизацию и даже уменьшение.

к

2\

А

/

чз

/

1 1 1 1 1

5 10 15 20 25 30

тг, м

Рис. 9. Зависимость предельного пролета карстовой полости от мощности сульфатных отложений при различной глубине залегания карстукнцихся пород: 1 - 5 м, 2 -15 м, 3 - 25 м

Если за основу определения характерных размеров карстовых провалов на земной поверхности, которые формируются в результате полного обрушения пород в карстовую полость, принять полученные оценки ее предельных пролетов, то их размеры в плане будут исчисляться десятками метров. Такой сценарий потери устойчивости карстовой полости в явном виде может иметь место в условиях идеальной симметрии ее формы, выдержанной мощности сульфатных отложений и однородности их физических свойств. Безусловно, в реальных условиях предпосылки к такой идеализации развития карстовых процессов отсутствуют.

Выполненные расчеты показали, что вариация прочностных свойств пород сульфатной толщи в 10 % уже приводит к изменению предельных размеров карстовой полости и различному распределению пластических деформаций. Аналогичная ситуация имеет место при изменении мощности сульфатных и вышележащих отложений, что следует из графиков на рис. 9. Таким образом, в реальных геологических условиях при выраженной изменчивости механических свойств пород и неоднородной мощности отложений процесс обрушения будет развиваться неравномерно - начинаясь, например, в более ослабленных локальных участках массива. Дальнейшая его реализация во многом будет зависеть от характера заполнения полости, обрушенным материалом. Такой механизм образования карстовых провалов как раз и определяет их небольшие поперечные размеры и глубины, которые зачастую фиксируются на территории Пермского края. Отметим, что именно по такому сценарию происходило образование провала на земной поверхности при затоплении в 2006 году калийного рудника в г. Березники. При достижении карстовой полостью в кровле соляной толщи предельного размера вначале имело место обрушение пород только над ее краевой частью. Затем в процес-

се увеличения объема карстовой полости, вследствие продолжающегося растворения соляных пород постепенно происходило развитие над ней провала на земной поверхности.

Выполненный анализ напряженно-деформировашюго состояния породного массива, вмещающего карстовую полость, позволил определить три возможных сценария формирования провала над карстовой полостью по достижении ею предельных размеров:

1. Обрушение пород над краевой частью полости вследствие локализации зоны пластических деформаций и формирования трещин сдвига по всей мощности гипсовой потолочины;

2. Обрушение пород над центральной частью полости вследствие развития трещин отрыва и сдвига по всей мощности гипсовой потолочины;

3. Полное обрушение пород над всей карстовой полостью вследствие одновременного протекания процессов разрушения, отмеченных в пунктах 1 и 2.

Необходимым условием реализации того или иного сценария является «геометрическая» возможность размещения обрушенной породы в карстовой полости.

Так условием динамического обрушения пород в краевой части полости является выполнение неравенства

К+Гь*кр,К> О)

где Уа- объем обрушенной породы, Уь - объем краевой части полости (здесь и далее в рамках плоской постановки задач величина объема отнесена к единице длины карстовой полости), крс- коэффициент разрыхления обрушающихся сульфатных пород.

В текущей постановке задачи принималось, что при выходе зоны разрушения гипсов, как вследствие сдвига, так и отрыва на подошву обвально-карстовых отложений вышележащие породы автоматически обрушаются в карстовую полость. В этом случае при выполнении условия (1) максимальная ширина г зоны пластических деформаций в краевой части карстовой полости (см. рис. 8) отождествляется с первоначальным характерным размером провала на земной поверхности.

Глубина провала на земной поверхности может быть вычислена по формуле

/г,=(Яг+Л)-Я^„, (2)

где

г

Нг - глубина заложения сульфатов (рис. 1), крн - коэффициент разрыхления обрушенных пород, залегающих над тисами.

С учетом (2) условие образования провала в краевой части полости запишется в виде

Л, >0, или Ь>Нг{к[Н -1)

На рис. 10 представлены зависимости глубины (рис. 10 а) и ширины (рис. 10 б) провала (при крн= 1, т.е. А3 = Л) в краевой части карстовой полости от мощности сульфатных отложений при различной глубине их залегания. Как видно, данные геометрические характеристики провала практически не зависят от глубины залегания гипсов. Это связано с тем, что размер зоны пластического деформирования в краевой части полости почти не меняется с увеличением глубины залегания сульфатов. Ширина и глубина провала при реализации данного механизма его образования характеризуется первыми метрами. Отметим, что при увеличении кр„, вид кривых на рис. 10 б останется неизменным, а сами кривые будут более разнесены по оси ординат, т.е. проявится определенная зависимость условий образования провала и его глубины от мощности отложений, залегающих выше гипсов.

Аналогичные зависимости были построены и для остальных сценариев обрушения карстовой полости.

шг, м шг, м

Рис. 10. Зависимость глубины (а) и ширины (б) провала над краевой частью карстовой полости от мощности гипсов при различной глубине залегания карстующихся пород: 1 - 5 м, 2 -15 м, 3 - 25 м

Таким образом, построенная модель карстовой полости, отражающая упруго-пластический характер деформирования карстующихся пород и учитывающая изменение ее формы в процессе роста, позволила определить три возможных сценария образования карстовых провалов, охватывающих весь спектр размеров карстовых воронок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе по результатам геомеханического анализа геологических процессов предложено решение актуальной научной задачи по локализации аномалий строения осадочных толщ, имеющей большое значение для теории и практики освоения георесурсов и обеспечения сохранности наземных сооружений.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. С использованием аппарата механики растущего тела построена модель осадочного чехла, учитывающая изменение его конфигурации и увеличение прочностных свойств в процессе формирования.

2. Сформулированы подходы к количественному параметрическому обеспечению ретроспективных математических моделей формирования осадочного чехла.

3. На основе математического моделирования процесса формирования структур облекания рифов установлено, что наличие в нижних этажах осадочной толщи рифогенных образований создает предпосылки к образованию в верхней части осадочного разреза природно-ослабленных зон, интенсивность которых определяется проявлением и сочетанием различных геологических факторов.

4. Методами математического моделирования показано, что современная структурная поверхность соляной толщи могла сформироваться в результате неоднородного гравитационного воздействия вышележащих отложений.

5. По результатам геомеханического анализа построена карта опасности развития в соляной залежи центральной части ВКМКС субвертикальных трещин.

6. Построена геомеханическая модель растущей карстовой полости, отражающая упруго-пластический характер деформирования карстующихся пород и учитывающая изменение ее формы, вследствие обрушения пород кровли.

7. Установлена зависимость предельного размера карстовой полости от глубины ее начального заложения и мощности карстующихся пород.

8. С использованием критерия потери устойчивости карстовой полости определены три возможных сценария образования карстовых провалов, охватывающих весь спектр размеров карстовых воронок: обрушение в краевой части, высыпание пород в центральной части и полное обрушение кровли полости.

9. Предложена методика прогнозирования размеров провалов на земной поверхности в зависимости от условий залегания карстующихся сульфатных пород на территории Пермского края.

10. Выводы и рекомендации, связанные с формированием аномального строения соляной толщи, и подходы к исследованию механизмов образования карстовых провалов используются при постановке детальных геолого-геофизических работ с последующей их геомеханической интерпретацией,

направленной на оценку безопасных условий подработки водозащитной толщи и обеспечение сохранности наземных сооружений.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Федосеев А.К. О вкладе рифогенных образований в формирование при-родно-ослабленных зон в соляной толще // Горный информ.-аналит. бюллетень.-2011.-№ 4.-С. 141-145.

2. Барях A.A. Геомеханический прогноз распределения зон трещиновато-сти в соляной толще Верхнекамского месторождения калийных солей / Барях A.A., Федосеев А.К. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2007. - № 5. - С. 11-21.

3. К вопросу о напряженно-деформированном состоянии областей, подверженных карстогенезу / Барях А. А, Русин Е. П., Стажевский С.Б., Федосеев А.К., Хан Г.Н. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2009. - № 6. - С. 3-10.

4. Федосеев А.К. Геомеханическая оценка размеров провала над техногенной карстовой полостью в соляных породах // Горн, информ.-аналит. бюл. -2010.-№1,-С. 273-276.

5. Барях A.A. О механизме формирования карстовых провалов на земной поверхности / Барях A.A., Федосеев A.K. И Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2011. - № 4 - С. 12-22.

Статьи, опубликованные в научных сборниках, журналах и материалах конференций:

1. Федосеев А.К. Моделирование процессов формирования осадочных толщ // Восьмой Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Аннотации докладов. -Пермь, 2001. - С. 575.

2. Федосеев А.К. Математическое моделирование процесса деформирования клиноформных толщ Когалымского региона Западной Сибири // Сб. Материалы научной сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2000 году. - Пермь, 2001. - С. 23-26.

3. Барях A.A. Геомеханическая оценка условий трещинообразования в процессе формирования осадочного чехла / Барях A.A., Федосеев А.К. // Тезисы докладов Международной конференции «Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов». - Волгоград-Пермь, 2001. - С. 9.

4. Федосеев А.К. Учет больших деформаций при моделировании геологических процессов // Сб. Проблемы комплексного мониторинга на месторождениях полезных ископаемых: Материалы научной сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2001 году. - Пермь, 2002. - С. 117-120.

5. Федосеев А.К. Геометрически нелинейный анализ формирования осадочных геологических объектов // Сб. Материалы научной сессии ГИ УрО РАН. - Пермь, 2003. - С. 277-280.

6. Федосеев A.K. Геомеханический анализ предпосылок формирования природных субвертикальных трещин в соляной толще // Сб. Стратегия и процессы освоения георесурсов: Материалы научной сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2005 году. - Пермь, 2006. - С. 110-114.

7. Барях A.A. Математический анализ изменения состояния соляной толщи в проуессе осадконакопления / Барях A.A., Федосеев А.К. // Напряженное состояние породного массива и наведенная геодинамика недр. Сб. материалов международной конференции. - Бишкек, 2006. - С. 240-244.

8. Федосеев А.К. Прогноз развития зон природной трещиноватости в центральной части Верхнекамского месторождения калийных солей // Сб. Стратегия и процессы освоения георесурсов: Материалы научной сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2006 году. - Пермь, 2007. - С. 102-105.

9. Федосеев А.К. О параметрическом обеспечении задач математического моделирования процесса осадконакопления // Стратегия и процессы освоения георесурсов: Материалы ежегодной научной сессии Горного ин-та УрО РАН по результатам НИР в 2009 году. -Пермь, 2010. - С. 91-93.

Сдано в печать 16.11.2011 г. Формат 60x84/16. Тираж 100 экз.

Отпечатано сектором НТИ ГИ УрО РАН 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Федосеев, Антон Кимович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Современные геомеханические исследования геологических процессов и гипотезы формирования тектонической структуры 10 ВКМКС.

1.2. Связь осложнений строения соляной толщи с рифогенными об- 13 разованиями.

1.3. Геомеханика карстовых процессов.

1.4. Цели и задачи исследования.

2. ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РИФОГЕННЫХ 22 ОБРАЗОВАНИЙ НА СОСТОЯНИЕ СОЛЯНЫХ ПОРОД ВКМКС.

2.1. Общие сведения о рифогенных образованиях на территории Со- 22 ликамской впадины.

2.2. Математическая постановка задачи.

2.3. Разработка параметрического обеспечения.

2.4. Методика численной реализации.

2.5.Анализ факторов, влияющих на изменение НДС и формирование природно-ослабленных зон в осадочном чехле над рифогенными об- 39 разованиями.

2.6. Оценка напряженно-деформированного состояния осадочных пород над Ростовицкой рифогенной структурой.

Выводы.

3. ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРОГНОЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОН 52 ТРЕЩИНОВАТОСТИ В СОЛЯНОЙ ТОЛЩЕ

ВКМКС.

3.1. Общая характеристика открытой природной трещиноватости 54 центральной части ВКМКС.

3.2. Обоснование физико-геологической модели.

3.3. Общая постановка задачи.

3.4. Анализ изменения напряженно-деформированного состояния 71 соляной толгци в процессе осадконакопления.

3.5. Прогноз развития зон трещиноватости.

Выводы.

4. ОБОСНОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ФОРМИРОВАНИЯ КАРСТО

ВЫХ ПРОВАЛОВ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

4.1. Общая постановка задачи.

4.2. Определение предельных размеров карстовой полости.

4.3. Механизмы обрушения и заполнения карстовой полости породой

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геомеханический анализ формирования геологических аномалий в осадочном чехле"

Неоднородное строение осадочного чехла (наличие зон трещинова-тости, участков пониженной прочности, областей структурных и вещественных изменений) в значительной мере обусловлено геомеханическими процессами, связанными с деформированием породных толщ при осадко-накоплении, тектоническими движениями, развитием полостей и другими видами механических воздействий. Их реализация происходила на различных этапах геологической истории в разной форме и оставила свой «отпечаток» в современном строении осадочных толщ. Несмотря на сложность проблемы и неоднозначность ее параметрического обеспечения, применение аппарата математического моделирования изменения напряженно деформированного состояния (НДС) осадочных толщ открывает перспективу выявления взаимосвязи пространственного распределения природно-нарушенных зон с палеогеомеханическими процессами.

Задача локализации аномалий геологического строения имеет не только самостоятельное фундаментальное значение, но и является крайне важной для теории и практики освоения георесурсов и обеспечения сохранности наземных сооружений.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научных исследований Горного института УрО РАН по госбюджетным темам «Исследование процессов деформирования и разрушения конструктивных элементов систем разработки месторождений полезных ископаемых» (№ гос. per. 01200112855) и «Геомеханическое обеспечение высокоэффективного и безопасного освоения месторождений водорастворимых руд в зонах градопромышленных агломераций» (№ гос. per. 01200955521); программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные проблемы механики взаимодействий в технических и природных системах (проект «Деформирование и разрушение крупномасштабных горнотехнических объектов»); программе Отделения наук о Земле РАН «Крупные и суперкрупные месторождения стратегических видов минерального сырья: геологические особенности, условия формирования, фундаментальные проблемы комплексного освоения и глубокой переработки» (проект «Освоение углеводородного сырья и минерального комплекса уникального Верхнекамского месторождения»); по грантам РФФИ: №00-05-65330 («Деформирование и разрушение осадочных толщ в процессе их формирования и техногенного воздействия»), №06-05-64204 («Математическое моделирование процессов осадконакопления») и №09-05-99031 («Геомеханическая оценка негативного воздействия карстовых процессов на урбанизированные территории»).

Цель работы - разработка теоретических основ геомеханической оценки условий формирования аномалий геологического строения осадочных толщ, осложняющих ведение горных работ и функционирование наземных инженерных сооружений.

Идея работы - применение методов математического моделирования для оценки изменения состояния осадочного массива в процессе геологических преобразований.

Задачи исследований:

1. Выполнить анализ и обобщение геологической и геофизической информации, связанной с аномальными природными объектами осадочного разреза, представляющими потенциальную опасность для ведения горных работ и функционирования наземных инженерных сооружений.

2. Построить математическую модель формирования геологических аномалий осадочного чехла.

3. Разработать параметрическое обеспечение ретроспективных геологических моделей.

4. Выполнить многовариантное численное моделирование изменения НДС геологических аномалий осадочного чехла в процессе их формирования и развития.

5. На основе критериальных подходов оценить влияние факторов, определяющих формирование аномальных геологических объектов в осадочном чехле.

6. Установить взаимосвязи пространственного распределения природно-нарушенных зон осадочного чехла с палеогеомеханическими процессами.

Методы, исследований включали анализ и обобщение геологических и геофизических данных, применение аппарата механики сплошных сред, использование алгоритмов и процедур численных методов математического моделирования.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Методами математического моделирования установлено, что наличие в нижних этажах осадочного чехла неоднородностей в виде рифо-генных образований создает предпосылки к формированию в верхней части осадочных отложений природно-ослабленных зон, интенсивность которых обусловлена комплексом следующих основных факторов:

- изменением градиента роста механических параметров пород осадочного чехла;

- значением современных средних механических свойств осадочных пород;

- геометрическими характеристиками рифа;

- наличием в осадочной толще пластов с пониженными по сравнению с вмещающими породами механическими свойствами;

- взаимным расположением рифов различных формаций.

2. В рамках геомеханического анализа показано, что структурная поверхность соляной толщи формируется под действием гравитационных процессов, связанных с давлением вышележащих надсолевых отложений, которые обусловливают неоднородность поля напряжений и создают предпосылки к образованию субвертикальных трещин. На всех этапах формирования осадочной толщи зоны потенциальной опасности существования субвертикальных трещин сдвига связаны с мульдовыми частями прогибов и со склонами куполов, а трещины отрыва могут охватывать и отдельные купола соляной залежи.

3. На основе критериев обрушения пород кровли построена модель карстовой полости, отражающая упруго-пластический характер деформирования карстующихся пород и учитывающая изменение ее формы в процессе роста. С использованием критерия потери устойчивости карстовой полости определены три возможных сценария образования карстовых провалов, охватывающих весь спектр размеров карстовых воронок: обрушение в краевой части, высыпание пород в центральной части и полное обрушение кровли полости.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием объективной геомеханической и геофизической информации; корректным применением аппарата механики твердого деформируемого тела; качественным соответствием результатов, полученных при математическом моделировании, наблюдаемым осложнениям в осадочном чехле.

Научная новизна работы

1. На основе методов механики растущего тела построена математическая модель формирования осадочного чехла.

2. Сформулированы подходы к количественному параметрическому обеспечению ретроспективных математических моделей формирования осадочного чехла, основанные на предположении, что, в отсутствие на постседиментационной стадии значительного перемещения осадочного материала, нагрузку, действующую на произвольные элементы геологического разреза, можно задать исходя из их современных плотностных свойств и мощностей.

3. Методами математического моделирования показано, что гравитационные процессы определяют общий структурный план соляной толщи и пространственное распределение в ней неоднородностей поля напряжений.

4. Предложен критерий обрушения пород в окрестности карстовой полости, учитывающий пространственное положение зон действия растягивающих напряжений и локализации пластических деформаций.

Практическая значимость

1. Выполнен прогноз аномальных разрезов соляной толщи Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС), возможных над рифогенными образованиями девонского возраста, представляющий основу для проведения детальных геолого-геофизических исследований особенностей ее строения.

2. Построена схема районирования центральной части ВКМКС по опасности формирования в соляном массиве природных трещин субвертикальной ориентации.

3. Предложена методика прогнозирования возможных размеров провалов на земной поверхности в зависимости от условий залегания кар-стующихся сульфатных пород на территории Пермского края.

Реализация работы:

1. Выводы и рекомендации, связанные с аномалиями строения соляной толщи,над рифогенными образованиями и наличием зон, в которых возможно формирование субвертикальных трещин, используются геологической службой ОАО «Уралкалий» при постановке детальных геолого-геофизических работ с последующей их геомеханической интерпретацией, направленной на оценку безопасных условий подработки водозащитной толщи.

2. Подходы к. исследованию механизмов образования карстовых провалов на земной поверхности включены в комплексную методику оценки потенциальной опасности погребенного карста для урбанизированных территорий («Методические рекомендации по проведению инженерно-геологических изысканий на карстоопасных территориях (на примере Пермского края)», Москва, 2009 г.).

Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Восьмом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001 г.), Международной конференции «Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов» (Волгоград-Пермь, 2001 г.), Международной конференции «Напряженное состояние породного массива и наведенная геодинамика недр» (Бишкек, Киргизия, 2006 г.), конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск, 2009 г.), международных конференциях «Неделя горняка - 2008» и «Неделя горняка - 20011» (г. Москва), межрегиональной научной конференции «Геомеханика в горном деле» (Екатеринбург, 2009 г), научных сессиях и семинарах Горного института УрО РАН (Пермь, 2000 - 2011 гг.).

Публикации: По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем работы и ее структура. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 114 страниц машинописного теста, включая 55 рисунков, 1 таблицу и список использованной литературы из 111 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Федосеев, Антон Кимович

10. Выводы и рекомендации, связанные с формированием аномального строения соляной толщи, и подходы к исследованию механизмов образования карстовых провалов используются при постановке детальных геолого-геофизических работ с последующей их геомеханической интерпретацией, направленной на оценку безопасных условий подработки водозащитной толщи и обеспечение сохранности наземных сооружений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе по результатам геомеханического анализа геологических процессов предложено решение актуальной научной задачи по локализации аномалий строения осадочных толщ, имеющей большое значение для теории и практики освоения георесурсов и обеспечения сохранности наземных сооружений.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. С использованием аппарата механики растущего тела построена модель осадочного чехла, учитывающая изменение его конфигурации и увеличение прочностных свойств в процессе формирования.

2. Сформулированы подходы к количественному параметрическому обеспечению ретроспективных математических моделей формирования осадочного чехла.

3. На основе математического моделирования процесса формирования структур облекания рифов установлено, что наличие в нижних этажах осадочной толщи рифогенных образований создает предпосылки к образованию в верхней части осадочного разреза природно-ослабленных зон, интенсивность которых определяется проявлением и сочетанием различных геологических факторов.

4. Методами математического моделирования показано, что современная структурная поверхность соляной толщи могла сформироваться в результате неоднородного гравитационного воздействия вышележащих отложений.

5. По результатам геомеханического анализа построена карта опасности развития в соляной залежи центральной части ВКМКС субвертикальных трещин.

6. Построена геомеханическая модель растущей карстовой полости, отражающая упруго-пластический характер деформирования карстующихся пород и учитывающая изменение ее формы, вследствие обрушения пород кровли.

7. Установлена зависимость предельного размера карстовой полости от глубины ее начального заложения и мощности карстующихся пород.

8. С использованием критерия потери устойчивости карстовой полости определены три возможных сценария образования карстовых провалов, охватывающих весь спектр размеров карстовых воронок: обрушение в краевой части, высыпание пород в центральной части и полное обрушение кровли полости.

9. Предложена методика прогнозирования размеров провалов на земной поверхности в зависимости от условий залегания карстующихся сульфатных пород на территории Пермского края.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Федосеев, Антон Кимович, Пермь

1. Авдонин НА. Математическое описание процессов кристаллизации. -Рига: Зинатне, 1980. 180 с.

2. Автоматизация геолого-маркшейдерских графических работ /В.В. Ершов, A.C. Дремуха, В.М. Трость и др. М.: Недра, 1991. - 347 с.

3. Альбов C.B. Объяснение теорией горного давления происхождения провалов и просадок (на материале карста низовьев левобережья р. Оки) // Карстоведение. 1948. - № 4. - С.23-36.

4. Аникеев A.B. Провалы в районах покрытого карста как результат массовой суффозии песков и разрушения глин // Карстоведение XXI век: теоретическое и практическое значение. Материалы международного симпозиума. - 2004. - С. 216-220.

5. Арутюнян Н.Х. Контактные задачи механики растущих тел / Арутю-нян Н.Х., Манжиров A.B., Наумов В.Э. М.: Наука, 1991.

6. Арутюнян Н.Х. Краевая задача теории вязкоупругопластичности для растущего тела, подверженного старению / Арутюнян Н.Х., Наумов В.Э. // ПММ. 1984. - Т. 48. Вып. 1 - С. 17-28.

7. Арутюнян Н.Х. Механика растущих вязкоупругопластических тел / Арутюнян Н.Х., Дроздов А.Д., Наумов В. Э. М.: Наука, 1987. - 472 с.

8. Арутюнян Н.Х. Некоторые вопросы теории ползучести. М.; Л.: Гос-техиздат, 1952. - 323 с.

9. Барях A.A. Геомеханические подходы к оценке карстоопасности // Материалы научной сессии Горного института УрО РАН «Стратегия и процессы освоения георесурсов». Пермь, 2005 г.

10. Барях A.A. Геомеханический прогноз распределения зон трещинова-тости в соляной толще Верхнекамского месторождения калийных солей / Барях A.A., Федосеев А.К. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2007. - № 5. - С. 11-21.

11. П.Барях A.A. К вопросу о напряженно-деформированном состоянии областей, подверженных карстогенезу / Барях A.A., Русин Е.П., Стажевский С.Б., Федосеев АХ, Хан Г.Н. // ФТПРПИ. 2009. - № 6.

12. Барях A.A. Карстогенез и техногенные факторы / Барях A.A., Стажевский С.Б., Хан Г.Н. // Физико-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых . 2010. - № 3.

13. Барях A.A. О деформированном состоянии породного массива над карстовыми пустотами / Барях A.A., Стажевский С.Б., Тимофеев Е.А., Хан Т.Н. // ФТПРПИ. 2008. - № 6.

14. Барях A.A. О механизме формирования карстовых провалов на земной поверхности / Барях A.A., Федосеев А.К. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2011. - № 4 - С. 12-22.

15. Басевич А.З. Наращивание существующих плотин, возведение и ввод в эксплуатацию плотин последовательными очередями // Проектирование и строительство болыных плотин. М.; JL: Госэнергоиздат, 1962. - С. 7129.

16. Болотин В.В. Анализ технологических напряжений в намоточных изделиях из композитов на на протяжении всего процесса изготовления / Болотин В.В., Воронцов А.Н., Мурзаханов Р.Х. // Мех. композита, материалов. 1980. -№3 - С. 500-508.

17. Бровман М.Я. Расчет термических напряжений в слитке при кристаллизации / Бровман М.Я., Сурин Е.В. // Инж.-физ. ж. 1963 - Т.6, № 5 - С. 281-284.

18. Быков В.Н. Нефтегазовое карстоведение. ПГУ, Пермь, 2002 г. - С. 81- 95.

19. Быковцев Г. И. Некоторые вопросы затвердевающих и наращиваемых сред / Быковцев Г. И., Луканов A.C. // Изв. АН СССР. Мех. тверд, тела -1985.-№ 5-С. 116-118.

20. Вайнберг А.И. Плоская задача теории упругости для возводимого массива на упругом основании // Изв. высш. учебн. заведений. Стр-во и архит. 1969. -№ 5. - С. 43-48.

21. Волков В.П. Математическое моделирование термонапряженного состояния наращиваемых бетонных массивов со строгим учетом ползучести бетона / Волков В.П., Трапезников Л.П. // Изв. ВНИИ гидротехн. 1981. -Т. 151.-С. 49-55.

22. Волков В.П. Об усовершенствовании способа учета ползучести в задачах о термонапряженном состоянии наращиваемых бетонных массивов / Волков В.П., Трапезников Л.П. // Изв. ВНИИ гидротехн. 1982. - Т. 155. -С. 3-9.

23. Голубев Б.М. О природе сил, обусловивших послойное течение солей и образование соляных структур Верхнекамского месторождения // Тр. КО ВНИГНИ. 1973. - вып. 118. - С. 239-246.

24. Голубев Б.М. Особенности внутреннего строения соляной толщи Верхнекамского калийного месторождения // Проблемы соленакопления. -Новосибирск, «Наука», 1977. Т. 2. - С. 115-118.

25. Грабовский А.П. Влияние упругонаследственных свойств магнитной ленты на напряженно-деформированное состояние ее витков // Мех. композита. материалов. 1983. -№2 - С. 314-319.

26. Гутман С.Г. Остаточные напряжения от наращивания конструкции в нагруженном состоянии // Поляризационно-оптический метод исследования напряжений. Л.: ЛГУ. 1960. - С.131-142.

27. Девятков С.Ю. Схема ранжирования карстовых деформаций // Мат. науч. сессии Горного института УрО РАН "Стратегия и процессы освоения георесурсов". Пермь, 2006. - С. 116-119.

28. Джиноридзе Н.М. Петротектонические основы безопасной эксплуатации Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей / Джиноридзе Н.М., Аристаров М.Г., Поликарпов А.И. и. др. Соликамск, 2000. -400 с.

29. Дорофеев Е. П. Соотношение размеров провальных впадин и карстовых полостей в сульфатных породах. // Вопросы карстоведения. Пермь, 1970.-Вып. П.

30. Дроздова И.В. Модель поверхностного роста трубчатойкости при независимых ростовых параметрах // Мех. композита, материалов. 1983. -№6 - С. 1083-1089:

31. Дятловицкий Л.И. Плоская задача с центральной.симметрией для наращиваемого тела с переменным модулем упругости / Дятловицкий Л.И., Лемберг Э.Д. //Прикл. мех. 1968. - Т. 4, вып. 8. - С. 74-84.

32. Дятловицкий Л.И. Упругая задача для тел с изменяющейся в процессе загружения конфигурацией / Дятловицкий Л.И., Рабинович Л.Б. // Инж. жур. 1962. - Т. 2, вып. 2. - С. 287-297.

33. Дятловицкий Л.И. Формирование напряжений в гравитационных плотинах / Дятловицкий Л.И., Вайнберг А.И. Киев: Наукова думка, 1975. -264 с.

34. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. -541 с.

35. Зб.Зотеев О.В. Моделирование трещин при расчетах напряженно-деформированного состояния скальных массивов // Изв. УГГГА. Сер.: Горное дело. 2000. - Вып. 11.

36. Зубков В.И. Расчет температурного поля поблочно наращиваемого бетонного массива с использованием численного обращения Лапласа // Изв. высш. учебн. заведений. Стр-во и архит. 1980. - № 4. - С. 92-97.

37. Иванов A.A. Основные черты стратиграфии и тектоники сильвинито-вой зоны Верхнекамского месторождения на участке Первого рудника // Тр. ЦНИГРИ. Л.; М.: ОНТИ НКТП СССР. 1935. - Вып. 5. - 43 с.

38. Инденбаум В.М. Расчет остаточных напряжений внамоточных изделиях, образованных методом послойного отверждения / Инденбаум В.М., Перевозчиков В.Г. // Мех. полимеров. 1972. - № 2 - С. 284-289.

39. Кизирия Г.В. Определение усилий в комбинированных конструкциях с учетом деформаций ползучести бетона // Сообщ. АН ГрузССР. 1962. -Т. 28, №3,-С. 317-323.

40. Копнин В.И. Условия развития соляной тектоники в Соликамской депрессии // Тр. ВНИГНИ. М., 1965. - Вып. 46. - С. 121-129.

41. Копнин В.И. Условия седиментации кунгурских соленосных отложений в Соликамской впадине Предуральского прогиба // Тр. ВНИГНИ. -Пермь, 1973 Вып. 118. - С. 221-238.

42. Красноштейн А.Е. Горнотехнические аварии: затопление Первого Бе-резниковского калийного рудника / Красноштейн А.Е., Барях A.A., Сан-фиров И.А. // Вестник Пермского научного центра. 2009. - №2.

43. Кудряшов А.И. Верхнекамское месторождение солей. Пермь: ГИ УрО РАН, 2001.-429 с.

44. Кудряшов А.И. Выявление особенностей геологического строения, влияющих на распределение напряжений в недрах, в пределах подработанной части территории г. Березники (предварительные исследования) // Отчет о НИР. Фонды ГИ УрО РАН. Пермь, 1999.

45. Кузнецов Г.Н. Механические свойства горных пород // М., Углетех-издат, 1947.

46. Курленя М.В. Техногенные геомеханические поля напряжений / Кур-леня М.В., Серяков В.М., Еременко A.A. // Новосибирск: Наука, 2005.

47. Левин М.А. Напряжения и деформации в растущих телах // Докл. АН БССР. 1967. - Т. 11, № 3. - С. 222-225.

48. Линьков A.M. Метод решения трехмерных задач о пластовых выработках и геологических нарушениях / Линьков A.M., Зубков В.В., Хеиб М.А. // ФТРПИ. 1997. - №4.

49. Лисин В.П. Выделение тектонических нарушений в отложениях тер-ригенного девона на территории Удмуртской АССР по данным МОГТ / Лисин В.П., Маловичко А.А, Неволин Л.П. и др. // Геология, поиски и разведка горючих полезных ископаемых. Пермь, 1983.

50. Максимович Г.А. Основы карстоведения. Том 1. Вопросы морфологии карста, спелеологии и гидрогеологии карста.— Пермь: Перм. кн. изд-во, 1963.

51. Модели для силового анализа намотки композитов / Бейль А.И., Мансуров А.Р., Портнов Г.Г., Тринчер В.К. // Мех. композита, материалов. -1983.-№2-С. 303-313.

52. Назарова Л.А. Математическое моделирование кинематики плит Центральной Азии / Назарова Л.А., Назаров Л.А., Дядьков П.Г. //ФТРПИ. -2002,-№5.-С. 3-9.

53. Назарова Л.А. Моделирование объемных полей напряжений в раз-ломных зонах земной коры // Докл. АН. 1995. - Т.342, №6.

54. Образование остаточных напряжений при фронтальном отверждении сферического образца с учетом внутреннего давления, / Кпычников Л.В., Давтян С.П., Беляева H.A., Худяев С.И., Ениколопян Н.С. // Мех. композита. материалов. 1985. - № 3 - С. 492-496.

55. Ованесов Г.П. Геологическая эффективность геофизических работ вi

56. Волго-Уральской нефтегазоносной провинции / Ованесов Г.П., Алексеев Г.П., Белоликов Н.И. и др. М.: Недра, 1980. - 253 с.

57. Переинтерпретация сейсморазведочных материалов в пределах ВКМКС // Отчет о НИР. Фонды ГИ УрО РАН/ Авт.: Маловичко A.A., Санфиров И.А. Пермь, 1993.

58. Плятт Ш.Н. Плоская задача термоупругости для непрерывно наращиваемой полуполосы / Плятт Ш.Н., Шейнкер Н.Я. // Прикл. мех. 1969. - Т. \ 5, вып. 1 - С. 52-59.

59. Постоев Г.П. Закономерности гравитационного деформирования грунтовых массивов // Геоэкология. 2009. - № 6. - С. 534-543.

60. Прогнозирование напряженного состояния массивов слоистой и складчатой структуры / Зубков В.В., Линьков A.M., Милова JI.A., Филиппов H.A. // Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья. Фрунзе: Илим. - 1990.

61. Рашба Э. И. Определение напряжений в массивах от действия собственного веса с учетом порядка их возведения // Сб. тр. ин-та строит, механики АН УССР. 1953. № 18. - С. 23-27.

62. Регирер С.А. Механические аспекты процессов роста, развития и перестройки биологических тканей / Регирер С.А., Штейн A.A. // Итоги науки и техники. Сер. Комплексные и специальные разделы механики. М., ВИНИТИ, 1985. - Т.1 - С. 3 -142.

63. Руковишникова Т.Н. Математическое моделирование термонапряженного состояния бетонных массивов, возводимых на скальном основании / Руковишникова Т.Н., Трапезников Л.П. // Изв. ВНИИ гидротехн. -1979.-Т. 129.-С. 56-66;

64. Сейсмическая стратиграфия / под ред. ЧЛейтона. М.: Недра, 1982.

65. СНиП 2.01.15-90. Инженерная защита зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения проектирования. -М.: 1990.

66. СНиП 2.02.01-83 (2000). Основания зданий и сооружений. М.: 2000.

67. Mackintosh R.A. Barren halite bodies in sylvinite mining zone at Ester-hazy, Saskatchevan / Mackintosh R.A., Wardlaw N.C. // Can. J. Earh. Sci. -1968. V.5, № 5.

68. Nowinski J.L. Mechanics of growing materials // Int. J. Mech. Sci. -1978 v.20, № 8 - P. 493-504.

69. Santurjian O. Mathematical modeling of temperature stress state of concrete dam block constructed by placement lifts //15 Int. Congr. Large Dams, Lausanne, 24-28 June, 1985. Trans. V. 2. Quest. 57. Paris, s. a. - P. 739-754.

70. Tharp T. M. Cover-collapse sinkhole formation and soil plasticity // Sinkholes and the Engineering and Environmental Impacts of Karst. Geotechni-cal Special Pub. -2003. -No. 122. -Pp. 110-123.