Введение к работе
Актуальность
Последние десятилетия века ознаменовались крупными достижениями в области экспериментальной геомеханики, обнаружившими тесную связь между структурно-иерархическим строением реальным массивом горных пород и существенно нелинейной их реакцией на динамические воздействия от взрывов, горных ударов, техногенных и природных землетрясений.
Важные результаты в этой области получены усилиями специалистов из таких научных организаций нашей страны, как ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН, ИГД СО РАН, ИДГ РАН, ГоИ КНЦ РАН, ВНИМИ, ИГФ СО РАН и др. К числу фундаментальных следует отнести открытие явления знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия, в рамках которого было предсказано, а затем и доказано возможное существование широкого спектра нелинейных волновых процессов в массиве горных пород, обусловленных трансляционными и вращательными движениями геоблоков различного масштабного уровня, в том числе волн маятникового типа.
Ключевое значение в проблемах освоения месторождений полезных ископаемых на больших глубинах имеет открытие явления зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок (ИГД СО РАН, ВНИМИ, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН).
Для корректного математического моделирования сложных деформационно-волновых процессов в массивах горных пород, обусловленных нарушением их равновесного напряженно-деформированного состояния образующимися подземными полостями, необходимо иметь количественные (абсолютные) данные о деформациях или смещениях геоблоков в окрестностях подземных выработок, развивающихся во времени и в пространстве. При этом принципиально важно иметь многоканальный приборный измерительный комплекс для регистрации деформационных параметров с целью изучения как-временного фактора развития дезинтеграционных процессов вокруг подземных выработок, так и для анализа динамико-кинематических характеристик волн маятникового типа
В приборном комплексе должна быть заложена возможность предварительной обработки регистрируемой информации и представления ее в числовом виде, удобном для визуального контроля и последующего анализа с использованием современных компьютеров. Подобный подход даёт возможность оперативно обрабатывать данные, контролировать геомеханические процессы с различными временными масштабами.
Естественно, что ценность любых технических разработок определяется их прикладными возможностями. В этом аспекте большое значение имеет контроль и анализ деформационно-волновых процессов в блочных средах как в лабораторных, так и в натурных условиях. Здесь особое внимание привлекает к себе выдвинутая ранее MB. Курленей и В.Н. Опариным гипотеза о том. что на стадиях предразрушения очаговые зоны горных ударов, землетрясений и других динамических событий уподобляется своеобразной «геомеханической лазерной системе», т.е. акустически активной среде, способной к когерентному излучению сейсмической энергии.
Диссертационная работа выполнялась автором в рамках научною направления ИГД СО РАН «Исследование природных и техногенных явлений в верхней части земной коры» (№ гос. регистрации 01.9.60.002243), соответствующего одному из приоритетных направлений наук о Земле «Геодинамика и напряженное состояние земных недр», по проектам Российского фонда фундаментальных исследований № 93-05-08643 (1993-1995 гг.) «Закономерности формирования упругих волновых пакетов при импульсном возбуждении блочных сред», № 96-05-66052 (1996-1998 гг.) «Геомеханические условия возникновения квазирезонансов в геоматериалах и блочных средах», № 99-05-64637 (1999-2001 гг.) «Эффект аномально низкого трения в геосредах и акусто-электромагнитная радуга», а также в рамках выполнения исследований по х/д №.>№ 05-20 (1990-2000 гг.) и 724-20 (199Ы999п.) с Норильским горно-металлургическим комбинатом им. А.П. Завенягина
Цель работы. Создавая и применяя необходимое измерительное оборудование, экспериментальными исследованиями особенностей деформирования сфуктурных элементов в блочных средах и формирования упругих волновых пакетов при их импульсном и гармоническом возбуждении проверить справедливость гипотезы о том. что на критических стадиях очаговые юны разрушения блочных сред способны переходить в акустически активные состояния, уподобляясь своеобразной «геомеханической лазерной системе».
Идея работы.
Основываясь на открытиях в области нелинейной геомеханики и современных достижениях в научном приборостроении, разработать екважинные приборы оптоэлектронного типа для контроля деформационно-волновых процессов в массивах горных пород.
Основные задачи работы:
разработка технической документации и создание многоканального оптоэлектронного продольного деформометра скважинного типа для регистрации деформаций и смещений геоблоков в массивах горных пород;
создание измерительно-вычислительного комплекса для регистрации акустических и деформационных полей в модельных блочных средах под изменяющимся нагружением;
разработка пакета программ, обеспечивающего функционирование измерительного комплекса;
проверка работоспособности комплекса приборов и оборудования в лабораторных и натурных условиях;
экспериментальная проверка гипотезы Курлени - Опарина методом физического моделирования акусто-деформационных процессов в напряженных средах со структурой.
Методы исследований включают, анализ литературных и патентных источников, физическое моделирование, натурные эксперименты, прикладные
методы компьютерной обработки результатов эксперимента, научное обобщение.
Научные положения, выносимые на зашиту:
разработан и создан комплекс приборов и оборудования для скважинного контроля деформационно-волновых процессов в блочных геосредах на принципе измерения линейных перемещений с использованием многоэлементных оптоэлектронных микросхем;
существует устойчивая корреляционная связь между стадиями нагружения структурных сред и амплитудно-частотными характеристиками импульсных и гармонических сигналов, регистрируемых в геоблоках;
экспериментально методом физического моделирования обоснована справедливость гипотезы о возможности перехода очаговых зон динамического проявления горного давления в акустически активные состояния; при этом имеют место как конвергенция резонансных частот по системе блоков, так и усиление амплитуды гармонических сигналов за счет перехода накопленной упругой энергии структурных элементов в энергию акустических сигналов.
Достоверность научных результатов обеспечивается большим объемом экспериментальных исследований при физическом моделировании, натурными экспериментами, использованием современного прецизионного комплекса регистрации и обработки физической информации на базе персонального компьютера, схождением теоретических и экспериментальных данных.
Научная новизна работы:
дано экспериментальное доказательство гипотезы о возможности достижения блочными геосредами акустически активных состояний на стадиях предразрушения;
реализован принцип измерения линейных перемещений на базе многоэлементных оптоэлектронных микросхем в приборах горной геофизики для скважинного контроля деформационно-волновых процессов в блочных геосредах.
Личный вклад автора состоит в разработке функциональной схемы многоканального ото электронного измерительно-вычислительного комп.чекса МОЗД-Іп для регистрации деформаций и смещений в блочных структурах геосреды; в разработке отдельных узлов (оптоэлектрониые датчики линейных перемещений, блок памяти, усилитель напряжения, узлы сопряжения с компьютером и магнитофоном и др.), в подготовке и проведении лабораторных экспериментов; в обработке результатов лабораторных и натурных измерений.
Практическая ценность работы.
Разработанная базовая конструкция приборного комплекса МОЭД-1п и отдельные его измерительные модули для контроля деформационных процессов в массивах горных пород имеют высокий прикладной потенциал для решения широкого круга задач нелинейной геомеханики: в изучении динамико-кинематических характеристик волн маятникового типа от землетрясений, горных ударов и взрывов; в анализе реологических процессов вокруг подземных выработок на различных удалениях от обнажений, а также в гражданском строительстве для контроля состояния инженерных сооружений. Установленная корреляционная связь между стадиями нагружения блочных сред и эволюцией акусто-деформационных характеристик составных элементов представляют собой важные диагностические признаки для прогнозирования катастрофических событий (горных ударов, землетрясений и т.п.).
Апробация работы.
Основные научные результаты докладывались на международных конференциях; «Горная геофизика» (г. С.-Петербург, 1998 год^яГеодинамика и напряженное состояние земных недр» ( г. Новосибирск, 19«ч год), а также в Горно-металлургическом опытно-исследовательском центре Норильского ГМК им. Л.П. Завенягина (г І Іорильск. 1998 г.) и ежегодных семинарах лаборатории горной геофизики ИГД СО РАН.
Публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах. Выполненные технические разработки защищены комплексным патентом РФ №2097558.
Объем и структура диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, представлена на 129 страницах машинописного текста, включает 40 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 62 наименований и 5 приложений.
Автор выражает глубокую признательность за внимание и поддержку проводимых исследовании и разработок научному руководителю члену-корреспонденту РАН В.Н. Опарину.
