Синэнергетические эффекты распределения полей напряжений в приконтурной части породного массива

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

… СЕМИНАР 5
ДОКЛАД НА: СИМПОЗИУМЕ: & quot-НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА —
2000& quot-
МОСКВА, МГГУ, 31 января — 4 февраля 2000 года
^ В. Н. Морозов, В. Н. Татаринов, | И. Ю. Буров, 2000
УДК 622. 86
В. Н. Морозов, В. Н. Татаринов, И.Ю. Буров
СИНЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРИКОНТУРНОЙ ЧАСТИ ПОРОДНОГО МАССИВА
I-I ные данные о характере пове-
-бдения породного массива непосредственно прилежащего к горным выработкам (приконтурной части массива) позволяют по-новому взглянуть на механизм деформирования и разрушения подземных горных выработок и управлять геомеханическими процессами при освоении земных недр.
Основные факторы, определяющие устойчивость горных выработок, это напряжения и упругопрочностные свойства горных пород. Внешнее силовое воздействие природного или техногенного характера (тектонические процессы, развитие фронта очистных работ, взрывная отбойка руды и т. д.), приводят к возмущению полей естественных напряжений. Динамика изменения их во времени и пространстве прямо зависит от неоднородности геологической среды и в наибольшей степени от ее трещиноватости.
При подземной разработке месторождений наиболее распространенный вид подобного воздействия -взрывная отбойка руды, когда на породный массив периодически воздействуют два фактора: силы взрывной волны и силы, возникающие за счет циклического увеличения объема выработанного пространства. В текто-нически-активных районах дополнительным дестабилизирующим фактором являются горизонтальные напряжения, которые могут в несколько раз превышать вертикальные и приводить к внезапному разрушению при-контурной части горных выработок, в
в виде горных ударов.
Опыт работ на подземных рудниках показал, что именно взрывные работы, являются тем «спусковым механизмом», активирующим начало процесса разрушения горных выработок. Наблюдения за динамикой изменения напряженного состояния приконтурной части массива проводились в течение более 14 лет на ряде урановых месторождений гидротермального генезиса в пределах бывшего СССР. Ниже представлены некоторые результаты исследований.
В основном работы велись на удароопасных месторождениях с различными подземными системами разработки: отработка одиночными заходками с закладкой выработанного пространства, камерной системой с торцовым выпуском, системами с обрушением и магазинирования и др.
Наблюдения за динамикой изменения состояния приконтурной части породного массива начинались, как правило, до начала отработки очистного блока и велись до ее окончания. Применялись различные модификации геофизических методов контроля — электрометрический, сейсмической, акустической эмиссии. Опорными (тарировочными) для геофизических методов были традиционные геомеханические методы — маркшейдерские наблюдения за смещением контура горных выработок, метод глубинных реперов и наблюдения за давлением на крепь.
В 1988—1991 гг., рядом авторов Курленя М. В., Опарин В. Н. и др. [1] были опубликованы результаты исследований, основным итогом кото-
рых было открытие эффекта дезинтеграции породного массива вокруг горных выработок, пройденных взрывным способом. Проведенные нами исследования подтвердили, что в приконутурной части массива при взрывной отбойке образуются упорядоченные структуры, связанные с реакцией структурно нарушенного породного массива на циклическое изменение напряженного состояния при-конутурной части. При этом в процессе развития очистных работ отмечается динамичное изменение как структуры зон дезинтеграции так и их положения.
В качестве примера приведем описание одного из экспериментов. На месторождении «Восток» (Казахстан), разрабатываемого системой по-дэтажного обрушения с выпуском руды из сдвоенных штреков, были выполнены режимные наблюдения за изменением состояния приконтурной части массива в процессе очистной выемки. Рудное тело, расположенное в висячем крыле разлома на глубине 340 м в конгломератах и кварцевых порфирах, падает под углом 800. Мониторинг включал в себя электрометрические наблюдения за структурой геоэлектрического поля по сети вееров горизонтальных и вертикальных скважин (рис. 1, а), пробуренных в борта и кровлю штрека, наблюдения за давлением на крепь и маркшейдерские наблюдения за смещением контура рудного штрека.
Измерения электрического сопротивления (рк) проводились в веерах скважин после каждой отбойки методом электрокаротажа четырехэлектродным симметричным зондом. Массив был обводнен и увеличение электрического сопротивления при интерпретации связывалось с уменьшением порового пространства при возрастании напряжений. Обычно данные режимных наблюдений распределения рк по одной и той же скважине во время интерпретации сглаживают или усредняют, объясняя
Рис. 1. План горных работ в экспериментальном блоке (а) и изменение распределения функции Fp (б-д), по скважине 5 после отбойки 10, 7. 5, и 2.5 м, соответственно статистический разброс параметров неоднородностью породного массива или плохими условиями контакта датчиков со стенками скважин. В тоже время, именно это очень важное свойство геофизических полей несет информацию о динамике изменения состояния межблокового пространства
массива, которое является индикатором его напряженного состояния и собственно позволяет обнаружить эффект дезинтеграции массива [2].
Поэтому нами для интерпретации значений режимных геофизических наблюдений использовалась функция Fр, характеризующая относительное изменение регистрируемых в режиме мониторинга геофизических параметров, в данном случае гк, для элементарных структурных блоков породного массива на момент времени Ъ по отношению к моменту t и.
Ь’р (рк — рк) / рк (1)
При этом дискретное значение р^ относится к конкретному объемному структурному блоку массива и характеризует его эффективную трещиноватость и пористость. Подобный способ обработки геофизических данных эффективно использовался в работах, отмеченных выше авторов, где структурный блок массива с дискретным значением геофизического параметра был назван доменом, а выражение описывающее изменение парамет-
ров во времени — функцией состояния доменов [1].
Обработка показала на существование отчетливо выраженной тенденции & quot-волно-образного"- смещения зон относительного уплотнения и разуплотнения после каждой серии отбойки в направлении выработки. Отрицательные значения Fp исходя из физических предпосылок соответствуют увеличению электрического сопротивления, по сравнению с предыдущей серией измерений, а, следовательно, повышению напряжений (для водонасыщенной среды с преимущественно ионной проводимостью). Аналогичная картина была получена и по другим скважинам.
Многочисленные натурные эксперименты показали, что при взрывном способе отбойке руды поведение приконтурной части массива очень похоже на так называемые синэнергетические процессы (от греч. synenergetikos — согласованно действующий), отличительной особенностью которых является возникновение организованного поведения хаотичных систем. Возникновение организованного поведения блочного массива вызвано воздействием внешних сил или результатом развития собственной внутренней неустойчивости в системе массив -горная выработка. При взрывных работах в структурно нарушенном массиве образуются устойчивые во времени, чередующиеся зоны относительного уплотнения и разуплотнения. При каждой серии взрывной отбойки происходит их смещение в сторону выработанного пространства, т. е. в направлении наименьшего сопротивления.
Синэнергетический процесс упорядочения структуры полей напряжений в пространстве и времени в условиях действия тектонических сил проявляется более ярко. В тектониче-ски-активных районах, где горизонтальные компоненты полей напряжений могут преобладать над вертикальными в несколько раз, приток внешней энергии не обязательно может быть связан с влиянием горных работ, а может быть вызван тектоническими силами. Процесс цикличности в деформировании выработок под действием тектонических сил наглядно продемонстрирован на рис. 2, где сопоставлены результаты многолетних маркшейдерских наблюдений за
Рис. 2. Графики смещений реперов в почве подготовительных штреков на горизонтах XIX (а) и XX (б)
смещением почвы подготовительных выработок двух горизонтов (гор. XIX и гор. XX) на урановом месторождении Ала-Таньга в Узбекистане [3]. Наблюдения велись на глубине 540 м, расстояние между горизонтами составляло 60 м. На графиках четко видно, что периоды положительных деформаций, являющихся индикатором возрастания тектонических напряжений, сопровождаются резкой интенсификацией процессов динамического разрушения горных пород, после чего массив разгружается. По мере понижения очистных работ и приближения их к штрекам в которых велись наблюдения, происходил рост абсолютных значений смещений и положительных (в сторону отработанного рудного тела) смещений почвы на верхнем горизонте. Видно, что изменение во времени носило ярко выраженный циклический характер. Периоды максимальных значений смещений совпадали во времени с максимальной тектонической актив-
ностью, одновременно резко возрастало количество и мощность проявлений разрушения горных пород в виде стреляний, толчков и горнотектонических ударов.
Поведение породного массива напоминает отмеченные выше процессы снятия напряжений при воздействии серии взрывов в приконтурной части массива, несмотря на то, что это значительно более мощный процесс и основной причиной перестройки полей напряжений являются тектонические силы.
Исследования показали, что ориентация зон относительного разуплотнения приконтурной части массива зависит от общей структуры региональных полей напряжений и применяемых систем разработки месторождений. Этот процесс является составной частью более общих закономерностей процесса деформирования и разрушения нарушенной геологической среды в условиях притока внешней энергии имеющего место на различных иерархических уровнях. Про-
Рис. 3. Ориентация зон дезинтеграции, полученных для различных типов горных пород и систем разработки
цесс характеризуется & quot-волнообразной"- во времени картиной, с периодами накопления напряжений и периодами разгрузки за счет разрушения отдельных структурных связей. Этот процесс прослеживается у различных исследователей на различных масштабных уровнях — от разрушения отдельных зерен горных пород до уровня подготовки очагов горнотектонических ударов и крупных землетрясений.
Были обобщены результаты натурных геофизических наблюдений по нескольким месторождениям, разрабатываемым различными системами. На всех были зафиксированы отмеченные процессы самоорганизации полей напряжений, структуры которых существенно отличались между собой, и зависели в основном от трех параметров: от геометрических размеров выработок, наличия крупных тектонических разломов и размеров блочности горных пород. На рис. 3 представлены схемы ориентации зон относительного разуплотнения и уплотнения, построенные для различных систем отработки и литологических типов горных пород на основе обобщения данных геофизических наблюдений.
В целом можно отметить одну закономерность — зоны уплотнения и разуплотнения ориентированы перпендикулярно направлению максимального действия сил, определяющих приток внешней энергии в приконтурную часть породного массива. Это силовое воздействие может быть вызвано или региональными тектоническими процессами или локальной концентрацией полей напряжений вокруг выработанного пространства и в целиках. Для одиночных очистных заходок в удароопасных гранитах (глубина до 550 м) (рис. 3а) зоны дезинтеграции имели форму близкую к концентрической и практически не зависели от пересекающих выработку крутопадающих разломов.
Аїі, мм Фрагмент графиков смещений реперов в скважине 22
Время
На другом месторождении, где рудное тело падает под крутым углом, в висячем крыле указанные зоны также имеют концентрический характер, а в лежачем боку их ориентация почти вертикальна (рис. 3б). В подготовительных штреках расположенных в бортах очистных камер высотой до 60 м зоны уплотнения и разуплотнения опускаются вдоль борта камер (рис. 3в). При отработке пологих рудных тел системами заходок указанные зоны также почти вертикальны, верхней части развитию концентрической формы препятствуют тектонические швы разломов. Распределение зон дезинтеграции для одиночных штреков было получено на упоминавшемся выше месторождения в Узбекистане, отрабатываемого системой с обрушением в нисходящем порядке. Для этого месторождения, характерно преобладание горизонтальных составляющих тензора напряжений, что проявляется в характере распределения зон разуплотнения вокруг одиночных подготовительных выработок, расположенных на нижних подэтажах. Сначала под отработанным этажом образуется вытянутые в горизонтальном направлении эллипсоидальные зоны уплотнения и разуплотнения, а на следующем этаже их форма была
близка к концентрической (рис. 3д,
стадия 1). После отработки камер вышележащего этажа, напряжения концентрируются под отработанным этажом и главные компоненты тензора напряжений переориентируются, что проявляется в изменении пространственной структуры полей напряжений (рис. 3д, стадия 2).
Интересные результаты были получены при анализе данных многолетних наблюдений за смещением контура выработок и глубинных реперов в бортах камер на уникальном объекте «Красноярск-26», где горные выработки большого сечения (высота до 60 м, ширина до 40 м) были пройдены в конце 50-х годов. Многократные замеры смещений реперов с высокой (до 0,01 мм) точностью, не подверженные воздействию взрывных работ, проводимых регулярно в течение более 40 лет, не позволяют сомневаться в достоверности и надежности экспериментальных данных.
Анализ результатов наблюдений показал на существенное отличие фактических результатов наблюдений от общих геомеханических представлений о деформациях горных выработок как последовательного уменьшения сечения выработок. Не имея возможности подробно рассмотреть результаты анализа в рамках этой работы, от-
метим основную особенность.
Рис. 4. Фрагмент графиков смещений реперов в скважине 22 с периодами накопления энергии и разгрузки массива
Она заключается в том, что смещение реперов подчиняется циклическому закону в виде чередовании отрицательных и положительных смещений реперов относительно контура обделки во времени. Причем отмечена зависимость периодичности от степени нарушенности массива в пределах от 0,5 -1 лет до 7 лет. На рис. 4 для примера представлен фрагмент смещения глубинных реперов по скважине 22. На нем ярко видна цикличность процессов смещения отдельных реперов, расположенных в интервале от 2 до 19 м от контура камеры. Если принять, что каждый репер является индикатором состояния отдельных блоков приконтур-ной части породного массива, то можно сделать вывод, что при отсутствии влияния взрывных работ в приконтурной части породного массива также отмечаются циклические процессы в изменении распределения полей напряжений во времени.
Таким образом, периодичность развития процессов деформирования приконтурной части породного массива является фундаментальным свойством геологической среды, характеризующего его разрушение, и связана со структурной нарушен-ностью горных пород.
Геофизические наблюдения за эффектом пространственно-
временного изменения полей напряжений в приконтурной части массива при взрывной отбойке могут быть использованы для решения широкого круга практических задач горной технологии. Например, на их основе можно определять эффективную блочность массива, выделять зоны повышенных напряжений и неустойчивых сильнотрещиноватых пород, определять места закладки станций контроля состояния массива, прогнозировать допустимую мощность взрывной отбойки, корректировать разгрузку массива и т. п., что позволит повысить безопасность ведения горных работ.
1. Шемякин Е. И., Фисенко Г. Л., Опарин В. Н. и др. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг горных выработок. Часть I, II, III, Физико-технические проблемы разр. полез. ископаемых, 1986, № 3−6.
2. Морозов В. Н., Татаринов В. Н., Буров И. Ю. Динамика процесса потери устойчивости горных выработок в нестационарных полях напряжений. Горный вестник. 1996. № 2. С. 66−72.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Морозов В. Н., Татаринов В. Н. Динамика геомеханических процессов в приконтурных зонах при подземной разработке урановых месторождений. Международная конференция & quot-Горная геофизика-98& quot-. С. -Петербург. 1998. с. 171−177.
ofran1

Морозов В. Н., Татаринов В. Н., Буров И. Ю. — Геофизический центр РАН.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой