Исследование изменения во времени тектонических напряжений в массиве горных пород

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Геология


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 622. 833 К.В. Селин
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВО ВРЕМЕНИ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД
Проведен анализ закономерностей изменения тектонических напряжений в массиве горных пород.
Ключевые слова: массив горных пород, тектонические напряжения.
Неделя горняка
ТЪ опросы, связанные с изучением
и процесса формирования и изменения во времени тектонических напряжений в массиве горных пород являются актуальными. Большинство подземных месторождений разработаны не полностью, т. е. либо не до проектной глубины, либо отработаны не все разведанные запасы, зачастую это связано с тем, что технологии отработки верхней части месторождений не эффективны с понижением горных работ. Изучение закономерностей изменения тектонических напряжений дает возможность более детальной проработки как системы разработки в целом, так и отдельных её элементов.
В массиве горных пород действуют следующие виды напряжений в вертикальной плоскости ун, а в горизонтальной ог. В любой рассматриваемый отрезок времени горизонтальные напряжения, одним из составляющих которых являются тектонические напряжения, будут равны:
Ог = ХТН+ Отф + Отп, (1)
где ХН- гравитационные напряжения, МПа- отф — тектонические фоновые
напряжения, МПа- отп — тектонические пульсирующие напряжения, МПа.
Знание суммарной величины напряжения ог и их изменение во времени имеет большое значение для исследования разнообразных фундаментальных проблем в области наук о Земле, а также для решения прикладных геомеха-нических задач в горном деле (расчет устойчивости конструктивных элементов систем разработки, расчет крепи горных выработок и др.).
Исследованиями циклов горообразований и возникновения рифтов была установлена пульсация Земли, объем которой то увеличивается, то уменьшается с периодом 40−50 млн лет [1]. На крупные периоды пульсации накладываются более мелкие с соответственно меньшей деформацией Земли. Косвенно это подтверждается периодичностью активизации землетрясений, где отмечается 11-и летний цикл, совпадающий с циклом солнечной активности (СА) [2].
Считается, что в годы минимума С А Земля максимально сжата, геодинамиче-ские явления имеют максимальную энергетику, в годы нарастания СА напряженное состояние земной коры уменьшается и наблюдается максималь-
ное число геодинамических явлений, но меньшей энергетики. В то же время в мировой практике нет данных об абсолютной величине изменения напряжений в земной коре в течение цикла СА.
Исследование пульсирующих напряжений в земной коре Урала были начаты Институтом горного дела УрО РАН в 1998 г. Для этого в рудниках были оборудованы наблюдательные деформационные станции в городах Краснотурь-инск, Нижний Тагил, Березовский и Гай, соответственно на глубинах 600 м, 400 м, 700 м — 500 м и 830 м.
Рассмотрим методику на примере месторождений в гг Нижний Тагил (шх. «Естюнинская») и Гай («Гайский подземный рудник»).
Под землей наблюдательные станции представлены тремя — пятью разно ориентированными реперными линиями с базами 30−50 м, расположенными вне зоны влияния горных работ. На каждом пункте измерения по каждому направлению реперных линий было изучено геолого-тектоническое строение участков и определены упругие параметры массива [3]:
Ем = 0,9& quot- • Е0, (2)
где Ем, Е0 — модуль упругости массива и образца- п — число рангов геоблоков на базе реперных линий.
При исследовании изменении тектонических напряжений нужно знать не абсолютную величину расстояния между реперами, а изменение этого расстояния. В этом случае технология гибких нитей [3] позволяет получить измерения базы 50 м с погрешностью не более 0,3 мм при погрешностях: изменение превышения одного репера над другим с помощью нивелира Ah = 2 мм- температуры At = 0,2°С- принятой длины гибкой нити AS0 = = 0,1 мм. Натяжение гибкой нити определяется автоматически.
Обработка результатов заключалает-ся в следующем:
• была выбрана база Lо измеренная, к примеру, в декабре 1998 г., относительно которой оценивали изменение длины в последующие замеры-
• по полученным изменениям длины линий А^ - Lo) определяли относительную деформацию массива горных пород Єі-
• подбирали комбинации из трех линий и находили Аоі, А с2, (МПа), аІ-і (град.) по формулам (3) —
• после статистической обработки получили средние значения Аоі, Ас2, аі и азимут действия Ао1-
• за весь период наблюдений находили средний азимут действия Аоі или Ас2, который принимается за ось абсцисс Х, и находили А& lt-сх, Асу, Атху, которые более наглядно характеризуют изменение напряжений во времени
tg2a = 2 Єі ~ аі~ш —
і_1 (Еіє|- Еііієііі)¦а& quot- 2аі-н —
(З)
(Eisi Emsiii) sin ai-ii.
-(EIs I — EIISii) sin2a| - iii '
Д _ _ A (1 + ц ± (EiSi — E"s")(1 -Ц
1,2 B (1 — ц2) '
где: A _ Esi cos2(ai-1 + ai-ш)
-Emsiii cos2ai-1.
B _ cos2(ai-1 +ai-iii) — cos2ai-1. aj-jj, aj-jjj — углы, отсчитываемые от направления Ejj? д, Еш гш против хода часовой стрелки, град.- а1−1 — азимут действия До1, отсчитываемый от направления Ei г/ по часовой стрелке, град- Ej, Еп, Еш — модули деформации массива по реперным линиям, рассчитываемые по формулам (2) с учетом тектоники массива- - коэффициент Пуассона массива- г1, г11, гш — относительная дефор-
мация массива на длине реперных линий.
В последующем за нулевой отсчет был принят 29. 11. 00 г. — период минимума напряжений, и построен график изменения пульсирующих напряжений (рис. 1).
За период с 1998 по 2006 г. было установлено следующее:
1. На Гайском подземном руднике с конца 1998 г. по 2001—2002 гг. (максимум СА) сжатие массива уменьшилось на 20 МПа, а к 2006 г. вновь возросло на 10−15 МПа.
2. На шахте Естюнинская (г. Нижний Тагил) с начала IV кв. 1998 г. по 2001- 2002 г. сжатие массива уменьшилось на 27−30 МПа, а к 2006 г. возросло на 5- 10 МПа. Следует заметить, что на шахте в период 1994—1998 гг. произошло 30 горных ударов и техногенных землетрясений с энергией эквивалентных взрыву до 100 т ВВ, а с 1999 по 2006 г. было 5 слабых горных удара.
Метод определения пульсирующей составляющей тектонических напряжений с помощью линий на большой базе имеет один существенный недостаток. Он заключается в большой периодичности между измерениями (раз в 3−4 месяца). Большая периодичность обусловлена удаленностью друг от друга объектов наблюдения и существенными трудозатратами. Учитывая эти факторы лабораторией геодинамики и горного давления ИГД УрОРАН, была разработана методика постоянного мониторинга напряженного состояния массива горных пород.
На шх. «Естюнинская» был оборудован измерительный пункт, с применением автоматической деформационной станции «Массив- II». Автоматическая станция (АС) «Массив-11″ основана на использовании бесконтактных датчиков измерения расстояний, — индуктивного
типа. Важнейшим достоинством АС „Массив- II“ является возможность проведения высокоточных измерений размеров в широком диапазоне расстояний (от 0,06 до 6 метров с точностью до 1 мкм). Измерения можно производить в широком диапазоне интервалов от 20 мин до нескольких суток.
Измерительный пункт расположен вне зоны влияния горных работ и представлен, на данный момент, тремя разноориентированными реперными линиями (Б^ Б2- Бд), с помощью которых измеряется конвергенция выработки с последующим пересчетом деформации в величину напряжения. Линии БI и Б2 имеют следующую конструкцию. С противоположных сторон поперечного сечения выработки в горизонтальной (линия Б^ и вертикальной (линия Б2) плоскости закреплены защитные металлические трубки. Внутри защитной трубки располагается кварцевая трубка. Крепление выполнено таким образом, что кварцевая трубка, прикрепленная одним концом к стенке выработки, может свободно перемещаться внутри защитной трубки. С противоположной стороны кварцевая трубка подведена к датчику индуктивного типа, который расположен в креплении защитной трубки и подсоединен к АС „Массив — II“. АС „Массив — II“ через заданный интервал времени производит замер расстояния от датчика до конца кварцевой трубки. Линия на большой базе Бд располагается горизонтально в выработке расположенной рядом с выработкой где установлены БI и Б2 и служит для проверки данных получаемых с АС „Массив — II“. Бд чуть менее 50 м измерения её длины осуществляются методом гибких нитей [3] с периодичностью три месяца.
М, 6, МПа
2001---1---1---1---1---1---1----1---1---1---1---1---1---1---1---1---1---1---1---1---1---1---1---1---1---1---1---г
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008
Рис. 1. Графики изменения горизонтальных напряжений в массиве горных пород на фоне 23-го цикла солнечной активности на шх. „Естюнинская“ (г. Нижний Тагил) и на Гайском руднике (г. Гай)
мкм
Г оризонтапьная реперная линия
ІІІ

МЛ ^
1 ,/іЛ/
її А/ 11

Вертикальная реперная линия
п ^'-& quot-nVYv'-VV•'-1nA»
, /Мл V
К) и Ч / А/


3600
3500 —
Е 30. 07. 2007 01. 08. 2007 03. 08. 2007 05. 08. 2007 08. 08. 2007 10. 08. 2007 12. 08. 2007 14. 08. 2007 16. 08. 2007 18. 08. 2007 23. 08. 2007 25. 08. 2007 27. 08. 2007 04. 09. 2007 06. 09. 2007 08. 09. 2007 10. 09. 2007 12. 09. 2007 16. 09. 2007 18. 09. 2007 22. 09. 2007 25. 09. 2007 29. 09. 2007 01. 10. 2007 05. 10. 2007 07. 10. 2007 09. 10. 2007 11. 10. 2007 13. 10. 2007 15. 10. 2007 17. 10. 2007 21. 10. 2007
Рис. 2. Конвергенция стенок выработки за июль-октябрь 2007 г (шахта «Естюнинская» г. Нижний Тагил)
Таким образом, в рассматриваемый момент времени по деформации баз можно найти изменение напряжений в массиве по направлению этих баз.
Данные накопленные АС «Массив II» хранятся и передаются в формате Excel, что позволяет быстро их анализировать и отстраивать графики конвергенции стенок выработки. Пример графиков показан на рис. 2.
В период работы АС «Массив II» (с апреля 2007 г.) наблюдалось постепенное снижение тренда конвергенции стенок выработки, что соответствует общему сжатию массива в период приближения и прохождения минимума СА. Для определения главных нормальных напряжений в горизонтальной плоскости используем зависимость (3).
1. Милановский Е. Е. Развитие и современное состояние проблем расширения и пульсации Земли // Проблемы расширения и пульсации Земли. М.: Наука, 1984. С 8−24.
2. Яковлев Д. В., Тарасов Б. Г. О взаимосвязи геодинамических событий в шахтах и рудниках с циклами солнечной активности //Геодинамика и напряженное состояние недр. Междун. Конф. 2−4 октября 2001. Новосибирск. С. 56−65.
В результате проведенных исследований максимальное сжатие земной коры пока не установлено, т.к. предыдущий максимум был в 1995−97 гг., а в этот период натурные наблюдения не производились, минимум солнечной активности предположительно (по данным сайта http: //www. tesis. lebedev. ru/) был 20. 12. 2007 г., но есть мнение, что последующий цикл СА может смещаться относительно предыдущего на 0,5 — 1,5 года, поэтому нужно накопить данные натурных экспериментов. Уже имеющиеся результаты показывают, что изменение пульсирующих напряжений в Земной коре может достигать десятков МПа, что может является инициирующим фактором землетрясений и горных ударов.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Зубков А. В. Геомеханика и геотехнология. Екатеринбург УрО РАН. 2001.
4. Отчет о научно — исследовательской работе «Мониторинг изменения напряженно — деформированного состояния массива горных пород по мере развития горных работ в 2006- 2007 гг.». Прогноз и снижение удароопасности на Естюнинском месторождении. (ОАО «ВГОК»). ШШ
Коротко об авторе
Селин К. В. — Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург, e-mail: direct@igd. uran. ru

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой