Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор и анализ современных представлений о механизме и способах предупреждения динамических явлений в массиве горных пород при разработке рудных месторождений 9
1.1. Геомеханические условия отработки Таштагольского месторождения 9
1.2. Модели деформирования массива горных пород, описывающие возникновение и развитие динамических явлений 12
1.3. Региональный прогноз удароопасности с помощью микросейсмического районирования
1.4. Способы прогноза и предупреждения динамических явлений на рудных месторождениях
1.5. Учет пространственно-временного характера распределения сейсмических событий при прогнозе удароопасности 23
Глава II. Экспериментальное исследование пространственно-временного распределения динамических явлений 30
2.1. Техническое и методическое обеспечение экспериментального определения параметров динамических явлений на месторождении 30
2.2. Анализ кинематических параметров распределения динамических явлений в массиве горных пород 36
2.3. Кластерный анализ распределения динамических явлений в пределах шахтного поля месторождения 48
2.4. Выводы 65
Глава III. Математическое моделирование процесса деформирования и разрушения массива горных пород в районе отработки Таштагольского месторождения 66
3.1. Математическая модель и постановка краевой задачи 66
3.2. Тестовые расчеты 74
3.3. Динамические поля напряжений в массиве горных пород при отбойке технологического блока 82
3.4. Особенности применения кинетической теории прочности 94
3.5. Расчет зон разрушения при развитии очистных работ 97
3.6. Выводы 126
Глава IV. Влияние отработки Таштагольского месторождения на эпицентральную зону Кочуринского землетрясения 128
4.1. Характер и особенности сейсмического процесса в районе Кочуринского землетрясения 128
4.2. Математическая модель геомеханического состояния массива горных пород при воздействии взрывов на эпицентральную зону землетрясения 140
4.3. Методика определения входных параметров модели на основе фактических данных 143
4.4. Результаты математического моделирования воздействия взрывной отбойки рудных блоков на вмещающий массив горных пород и эпицентральную зону землетрясения 144
4.5. Выводы 149
Заключение 151
Литература 154
Приложения 166
- Модели деформирования массива горных пород, описывающие возникновение и развитие динамических явлений
- Анализ кинематических параметров распределения динамических явлений в массиве горных пород
- Динамические поля напряжений в массиве горных пород при отбойке технологического блока
- Математическая модель геомеханического состояния массива горных пород при воздействии взрывов на эпицентральную зону землетрясения
Введение к работе
Актуальность темы Важнейшей отраслью экономики России является металлургическая промышленность. В сейсмоактивной Алтае-Саянской складчатой области разрабатывается Таштагольское железорудное месторождение, которое поставляет качественное сырье для металлургических заводов Западной Сибири. В настоящее время очистные и подготовительные работы ведутся на глубине 600-900 м и более от уровня земной поверхности. С увеличением глубины ведения горных работ происходит рост исходного поля напряжений горного массива. Проходка выработок и отработка рудных блоков вызывает дополнительную концентрацию напряжений в отдельных частях массива, и напряжения здесь могут в несколько раз превышать исходные значения. Их уровень сопоставим с пределами прочности горных пород на разрушение, поэтому после технологических и массовых взрывов, предшествующих отработке очередного блока, в рудном и вмещающем массивах регистрируется большое количество проявлений горного давления в динамической форме в виде горных ударов, микроударов, толчков и др.
Существенное осложнение геомеханической обстановки на месторождении вызвало Кочуринское землетрясение, произошедшее 5.02.1988 г. в четырех километрах от отрабатываемого шахтного поля. Землетрясение и его афтершоки ввиду непосредственной близости к району отработки технологических блоков влияют на формирование зон возникновения динамических явлений высоких энергетических классов. Массовые взрывы в свою очередь воздействуют на эпицентральную зону землетрясения, провоцируют афтершоки различной мощности. Поэтому изучение характера пространственно-временного распределения динамических явлений в шахтном поле, а также взаимовлияния эпицентральной зоны землетрясения и района проведения массовых взрывов на месторождении является актуальной научной и практической задачей
Целью работы является разработка и реализация экспериментально-аналитической модели пространственно-временного распределения динамических явлений в пределах шахтного поля месторождения и афтершоков Кочуринского землетрясения.
Идея работы заключается в учете скоростей развития квазистатических деформационных процессов в массиве горных пород, вызванных массовыми взрывами.
Задачи исследований:
— выявить характер пространственно-временного распределения динамических явлений в шахтном поле при массовых взрывах;
— создать программный комплекс расчета и анализа напряженно-деформированного состояния массива горных пород, вызванного динамической нагрузкой при взрыве технологических блоков, учитывающий временной характер процесса разрушения;
— установить особенности развития зон разрушений в окрестности отбиваемых рудных блоков при ведении очистных работ на различных глубинах;
— оценить скорости квазистатических деформационных процессов, вызванных отбойкой блоков, и их влияние на эпицентральную зону Кочуринского землетрясения.
Методы исследований включают анализ и обобщение экспериментальных данных микросейсмического контроля состояния породного массива; численные методы решения динамических задач механики горных пород; анализ расчетных и фактических данных; методы статистической обработки экспериментальных данных.
Основные научные положения, защищаемые автором:
— степень удароопасности участков месторождения определяется скоростью распространения квазистатических возмущений в массиве горных пород при массовых взрывах;
— особенности развития процесса разрушения в массиве горных пород с учетом последовательности отбойки рудных блоков устанавливаются с помощью разработанного программного комплекса расчетом значений интеграла повреждаемости для динамических полей напряжений;
— условия уменьшения зон разрушения и их смещения во вмещающие породы при отбойке рудных блоков на месторождении создаются при увеличении глубины ведения горных работ;
— оценка скоростей деформационных процессов в массиве горных пород, инициированных взрывами, достигается путем определения интенсивности динамического воздействия на различные участки месторождения с учетом параметров афтершоков Кочуринского землетрясения.
Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается использованием апробированных методик при обработке данных микросейсмической активности участков месторождения; корректной постановкой краевых задач механики горных пород; применением обоснованного и апробированного математического аппарата; соответствием результатов расчетов с установленными ранее закономерностями деформирования массива горных пород при динамических воздействиях; удовлетворительным согласованием полученных теоретических результатов с фактическими данными.
Научная новизна работы:
— разработан новый способ оценки удароопасности участков месторождения, основанный на определении скорости распространения квазистатических возмущений в массиве горных пород при массовых взрывах;
— создан программный комплекс, в возможности которого входит расчет динамических полей напряжений и моделирование развития процесса разрушения породного массива во времени с учетом последовательности отбойки рудных блоков;
— установлено, что увеличение глубины отработки месторождения приводит к уменьшению областей разрушений, вызванных действием волн напряжений, возникающих после взрыва технологических блоков, и смещению этих областей во вмещающий массив;
— определены диапазоны изменения скоростей квазистатических деформационных процессов в горных породах, инициированных взрывной отбойкой блоков на флангах месторождения.
Личный вклад автора состоит в разработке новых способов определения степени удароопасности участков отрабатываемых месторождений; в постановке динамических задач механики горных пород, разработке процедур и алгоритмов их численной реализации; в установлении закономерностей деформирования и разрушения породного массива после взрывов технологических блоков; в анализе пространственно-временного распределения сейсмических событий на Таштагольском месторождении.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
— предложенный способ оценки степени удароопасности различных участков месторождения позволяет определить области массива, в которых будет происходить активизация сейсмических процессов, вызванных массовыми взрывами;
— разработанный комплекс программ дает возможность прогнозирования развития зон разрушений в массиве горных пород во время взрывной отбойки руды и при последовательной отработке расположенных рядом блоков;
— оценка скоростей квазистатических деформационных процессов, инициированных отработкой месторождения, позволяет прогнозировать время активизации областей концентрации динамических явлений и эпицентральной зоны Кочуринского землетрясения.
Реализация работы в промышленности. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором, внедрены на удароопасном Таштагольском месторождении, экономический эффект от их внедрения составил более 160 тыс. руб. (в ценах 2005 г.).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на III Международной научно-практической конференции "Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых" (Новосибирск, 2003 г.); Международном научном симпозиуме "Неделя горняка - 2004" (Москва, 2004 г.); IV Международной научной конференции "Физические проблемы разрушения горных пород" (Москва, 2004 г.); Международной конференции "Проблемы и перспективы развития горных наук", посвященной 60-летию Института горного дела СО РАН (Новосибирск, 2004 г.); Международном научном симпозиуме "Неделя горняка - 2005" (Москва, 2005 г.); Международной научной конференции "Геодинамика и напряженное состояние недр Земли" (Новосибирск, 2005 г.); Impact of Human activity on the Geological Environment — International symposium of the international society for rock mechanics — BRNO, Czech Republic, 18-20may 2005; Международном научном симпозиуме "Неделя горняка - 2006" (Москва, 2006 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ.
Модели деформирования массива горных пород, описывающие возникновение и развитие динамических явлений
Отработка месторождений полезных ископаемых с применением той или иной технологии выемки сырья сопровождается проявлениями горного давления в виде динамических явлений, которые возникают в различных горногеологических условиях [16,17]. Известны многочисленные случаи возникновения мощных динамических явлений типа горных ударов при отработке угольных и соляных месторождений, где взрывные работы сведены к минимуму или вовсе не применяются [18]. Там же, где для разрушения горных пород используются массовые и технологические взрывы, а это, как правило, рудные месторождения, отмечается большое число динамических явлений малой мощности, а количество сейсмических событий высоких энергетических классов невелико [11]. Все это говорит о том, что процесс формирования, возникновения и развития динамических явлений — многофакторное, неоднозначное явление и установление его параметров представляет сложную задачу, решение которой должно быть основано на использовании закономерностей деформирования и разрушения сплошной среды [19]. Изучение причин возникновения динамических явлений, таким образом, тесно связано с разработкой моделей разрушения горных пород. В настоящее время существует ряд гипотез разрушения геоматериалов. Известна теория лавинно-неустойчивого трещинообразования (ЛНТ), основанная на эффекте дилатансии — объемном расширении пород в запредельной области деформирования при их всестороннем сжатии. Данная модель была предложена специалистами
Института физики Земли РАН [20]. Основу модели составляют два явления: взаимодействие полей напряжений около трещин и локализация процесса трещинообразования. Предполагается, что эти явления происходят перед разрушением любого материала и горной породы, в частности, при условии длительного действия медленно меняющихся по величине нагрузок. Учение о длительной прочности исходит из того факта, что число и размер трещин (дефектов) постепенно растут из-за постоянно действующих напряжений. После достижения некоторой критической плотности трещин материал переходит в стадию быстрого макроразрушения.
Динамика перехода от состояния критической плотности трещин к макроразрушению еще плохо исследована. В рамках ЛНТ-модели предполагается, что этот процесс происходит путем слияния трещин в результате взаимодействия их полей напряжений. Теоретически показано, что устойчивость системы благоприятно расположенных трещин резко падает при уменьшении расстояния между трещинами [21]. Например, в случае взаимодействия двух неравных трещин отрыва малая трещина может замедлить свой рост или остановиться, если она находится над или под плоскостью большой трещины и ускориться, если расположена на продолжении большой трещины. Таким образом, при статистически равномерном распределении трещин в среде и постепенном увеличении их числа и размеров вследствие медленно возрастающих нагрузок или при воздействии активной среды, благоприятно расположенные трещины будут сливаться, образуя трещины большого размера [22].
Данное свойство используется в ЛНТ-модели, утверждающей, что в процессе лавинного трещинообразования постепенно формируется относительно небольшое число длинных разрывов, слияние которых и приводит к макроразрушению горной породы. Эта теория была широко опробована для прогноза горных ударов на месторождениях России и за рубежом. Тем не менее, приемлемого критерия прогноза горных ударов с помощью этой теории получить не удалось.
Наиболее близкой к ней теорией является кинетическая теория прочности, основанная на рассмотрении процесса трещинообразования в твердых телах, как термофлуктуационного процесса генерации трещин. Этот процесс включает в себя два взаимосвязанных этапа: возникновение в сплошном теле зародышевых трещин и накопление их в зоне разрушения до критической концентрации, при которой тело теряет устойчивость и разрушается. Зарождение и развитие трещин напрямую зависит от напряженного состояния пород, которое меняется со временем. Модель, учитывающую зависимость интенсивности процесса разрушения от изменения напряженного состояния массива, можно построить с использованием кинетической концепции прочности С. Н. Журкова [23].
В основе другого представления о механизме деформирования и разрушения массива лежит иерархическая модель геофизической среды и сейсмического процесса, развитая в работах академика М. А. Садовского, основанная на предположении об образовании иерархической последовательности блоков различных размеров [26]. Блоки находятся в постоянном взаимодействии друг с другом в процессе деформирования, уплотняются, переупаковываются, реагируя на внешнее воздействие как единое целое. При этом блоки могут менять конфигурацию, делиться на более мелкие. Все эти изменения будут происходить в моменты потери устойчивости при достижении ими критической величины энергонасыщенности за счет поступления энергии извне. В эти моменты происходит сброс избыточной энергии в виде упругих волн. В настоящее время эта модель считается одной из наиболее приемлемых и находит применение при прогнозе широкого класса динамических явлений.
Широкую известность и большое применение в теоретических и практических исследованиях причин возникновения и прогноза мощных динамических явлений в массиве гонных пород, получила модель разрушения, разработанная во ВНИМИ [16,19]. Условие, необходимое для реализации процесса разрушения некоторой области породного массива, формулируется в виде где Wp - изменение потенциальной энергии пород вне зоны запредельных деформаций; q0 — потеря энергии при запредельной деформации объема V на единице площади S. Правая часть неравенства означает общие потери энергии на площади S, левая — определяет приток энергии из областей массива, окружающих зону запредельных деформаций.
Предложенные модели деформирования и разрушения массива горных пород позволяют выявить основные факторы, определяющие условия зарождения и развития очагов динамических явлений, установить роль естественных и техногенных полей напряжений, горнотехнической обстановки в районе ведения очистных работ в формировании удароопасной ситуации. Однако дать однозначный и достоверный прогноз места и времени возникновения опасного динамического явления теоретические разработки не могут. Связано это с тем, что массив горных пород представляет неоднородную, разбитую системами трещин разного уровня среду, детальную оценку напряженного состояния которой теоретически осуществить чрезвычайно сложно. Экспериментальное же определение напряженно-деформированного состояния массива во всем его объеме в окрестности отрабатываемого пространства в настоящее время выполнить практически невозможно, поэтому в реальных условиях степень удароопасности пород устанавливается с помощью регионального и локального прогноза горных ударов.
Анализ кинематических параметров распределения динамических явлений в массиве горных пород
Рудные тела и вмещающие породы Таштагольского месторождения характеризуются густой сетью трещин, отдельностей и кливажа. Породный массив северного и центрального участка месторождения, ограниченный разломами Холодный и Северо-Таштагольский, рассечен крупными тектоническими нарушениями и дайками, формирующими его блочную структуру. В результате подработки охранного целика под реку Кондома на северном фланге происходят крупные подвижки структурных блоков. Южный фланг месторождения состоит из плотно прилегающих друг к другу геологических пород, имеющих сложную геометрическую форму и образующих композитную структуру массива в данной области. Рудные тела месторождения представлены магнетитом с примесью кварца, хлорита, кальцита. Они простираются в северо-западном направлении, имеют длину по простиранию 730-750 м и вкрест простирания 40-60 м. Отработка запасов руды осуществляется от центра к северному и южному флангам месторождения. Этажное обрушение руды вызывает подвижки структурных блоков по берегам активных разломов, перераспределение напряжений в неоднородном массиве, что приводит к возникновению динамических явлений. Динамические явления вызывают обрушение пород, поднятие почвы и железнодорожных путей в откаточных выработках, представляют опасность для людей. Сейсмособытия возникают не одновременно, находятся на различном расстоянии от очага взрыва и распределяются в массиве горных пород неравномерно.
Для определения основных закономерностей распределения и основных характеристик распространения динамических явлений была исследована микросейсмическая активность массива после обрушения технологических блоков в этаже -280 --210 м (рис. 2.8).
Массовый взрыв первого в этом этаже "разрезного" блока №17 был осуществлен в 1990 году. На плане горизонта этот блок выделен штриховкой (рис. 2.8). Дальнейшие работы на этой глубине выполнялись в период с 1990 по 2005 гг за который были проведены массовые взрывы по обрушению блоков №10-25 (табл. 2.1).
За год на месторождении проводятся 3-4 массовых взрыва блоков, расположенных на различных горизонтах. В течение недели после массового технологические взрывы в шахте не проводятся. Таким образом, микросейсмическая информация, полученная за этот период, наиболее объективно отражает геологическое состояние рудного и вмещающего массива. На начальном этапе исследований предполагалось на основе минимальной информации о толчках — местоположения их очагов и времени возникновения с момента взрыва — определить наиболее общие, универсальные параметры динамических явлений, позволяющие характеризовать степень удароопасности породного массива.
Геометрической характеристикой расположения динамического явления в шахтном поле может служить расстояние R от очага массового взрыва до места проявления события. По времени возникновения t события, рассматривая шахтное поле в сферической системе координат, где началу координат соответствует центр обрушаемого блока, а по оси Ох откладывается значение R, можно качественно оценить характер пространственно-временного распределения динамических явлений во времени. Для установления общих закономерностей такого распределения событий было исследовано изменение расстояния R от времени t после обрушения блоков на различных участках месторождения. Геодинамическое состояние массива в северной, центральной и южной части месторождения может быть определено по микросейсмической информации, полученной после массовых взрывов блоков №11, 18, 23 соответственно. Изменение расстояния от очага взрыва до динамического явления после отбойки этих блоков представлено на рис. 2.9 а-в.
На основе полученных данных можно сделать общий вывод для всего месторождения в целом, что с течением времени очаги сейсмособытий удаляются от границ отбиваемого блока. Это можно видеть по линиям тренда, построенным для графиков на рис. 2.9. Тем не менее, в определенные периоды времени происходит возврат очагов динамических явлений в эпицентральный район взрыва. Такой эффект был установлен ранее [60-62] на основе сейсмической информации, полученной после отработки блоков, расположенных на меньшей глубине. «Возвратно-поступательный» характер распространения динамических явлений во времени свидетельствует о том, что после взрывного обрушения блока в массиве горных пород инициируется сложный квазистатический процесс сдвижения геоблоков, который (как будет показано ниже) включает в себя следующие этапы: 1. Воздействие ударной волны напряжений на геологическую среду в районе месторождения; 2. Инициализация квазистатического процесса сдвижения массива от очага взрыва в радиальном направлении; 3. Активизация этим процессом геологических структур и областей в массиве, в которых начинается свой медленный процесс сдвижения, вызывающий последующие динамические явления.
Динамические поля напряжений в массиве горных пород при отбойке технологического блока
В обсуждаемых ниже расчетах область исследования представляла собой квадрат. Размеры области выбраны такими, чтобы её границы в рассматриваемые моменты времени не оказывали влияния на волновой процесс в районе взрыва технологического блока. Границы области предполагаются жестко закрепленными. Взрыв блока моделируется заданием на его контуре нормального давления Р0, соответствующего действию продуктов детонации (Р0 =200-ь500МПа), которое за миллисекунды падает почти до нуля.
Рассмотрим основные особенности распределения полей напряжений во вмещающем массиве после взрыва технологического блока. При проведении расчетов были взяты наиболее типичные механические свойства горных пород, составляющих Таштагольское месторождение. Массив горных пород при моделировании представлялся однородным упругим телом со свойствами: Е = 60000 МПа, v = 0.25, ро=3500 кг/м3, а = 5000 м/с Рис. 3.9. Фрагмент разностной сетки Расчетная область покрывалась равномерной треугольной сеткой с максимальной длиной стороны 1 = 10м. Фрагмент разностной сетки приведен нарис. 3.9. 84 Размеры расчетной области 800x800 м, условие жесткого закрепления границ задавалось в виде: Оп =0,&т =0, где Оп-нормальная составляющая вектора скорости. Размеры блока приняты равными 30x60 м, что в плане соответствует размерам блоков, отбиваемых на Таштагольском рудном месторождении.
Расчет динамических полей напряжений в массиве горных пород, вызванных массовым взрывом, требует задания на контуре, моделирующем границы блока, краевых условий. Как показывают многочисленные экспериментальные и теоретические исследования изменение давления от времени на границах зарядной полости при взрыве ВВ хорошо аппроксимируются экспонентой Pn = Р0 exp(-kt), где Р0- максимальная величина давления продуктов детонации [25,58,77]. Значения к заключаются в пределах 50 -80, что говорит о быстром уменьшении давления во взрывной полости. При определении величины было принято во внимание известная экспериментально установленная зависимость давления продуктов детонации в объеме взрывной полости от скорости детонации применяемого ВВ — D и его плотности р0 [77,78].
Моделирование взрывного обрушения блока в шахтном поле связано с заданием высоких значений действующих нагрузок, с большими линейными размерами исследуемых объектов и значительным весом структурных составляющих массива. Для удобства ввода, хранения и обработки информации, характеризующей напряженно-деформированное состояние среды в различные моменты времени был осуществлен переход от единиц системы СИ к эквивалентной системе единиц. Такой переход возможен, поскольку он основан на применении теории размерностей [84].
Поскольку устойчивость разностной схемы зависит как от шага по времени т, так и от пространственного шага h, то за единицу длины эквивалентной системы следует принимать достаточно большое расстояние в метрах. В задаче расчета взрыва технологического блока значение пространственного коэффициента а было выбрано равным 200, то есть единица длины в новой системе соответствует 200 метрам — это шаг маркшейдерской сетки на планах шахтных горизонтов. Временной коэффициент Р принят равным 100, то есть единица времени в новой системе равна 100 секундам. Значение коэффициента у было подобрано таким образом, чтобы единица давления в новой системе соответствовала 1МПа. При указанных значениях ос и Р у = 2-1012.
Рассмотрим с этой точки зрения как изменяется характер распределения напряжений, если обрушение технологического блока происходит на больших глубинах, где действуют значительные исходные сжимающие усилия. Выполнено две серии расчетов для различного исходного напряженного состояния массив горных пород. В первой — преобладающими являются исходные напряжения сг , ( тхх =-10МПа, О-У = -40МПа ) , во второй а (ахх = -40МПа, сг0 = -ЮМПа ). Анализ этих вариантов представляет как теоретический интерес, так и практический, отражающий реальные условия отработки Таштагольского месторождения. Случай сгу тхх соответствует условиям отбойки блоков на больших глубинах при последовательной выемке этажей с непрерывным понижением уровня ведения горных работ и реализуется при отработке Восточного участка месторождения. Случай ахх ст отвечает началу отработки рудного тела, расположенного на большой глубине от земной поверхности (участок Юго-Восточный). На рис. 3.13 приведено распределение нормальных компонент тензора напряжений ххх и т после 150 шагов по времени (t=0.0499 с). Сравнивая эти распределения с аналогичными для случая первоначально ненапряженного массива (рис. 3.10), можно отметить следующие особенности. Для компоненты а наблюдается увеличение уровня сжатия в волне напряжения. В зоне разгрузки уровень растягивающих напряжений сгхх, напротив, понижается. Высокие значения исходных напряжений ахх приводят к тому, что в областях разгрузки массива по компоненте а не появляются зоны действия растягивающих напряжений, а уровень а в волне сжатия достигает тех же значений, что и напряжение ахх.
Математическая модель геомеханического состояния массива горных пород при воздействии взрывов на эпицентральную зону землетрясения
Как уже отмечалось выше, основным проявлением действия волн напряжений на массив горных пород в дальней зоне является трансляционное и вращательное движение составляющих его геоблоков [43 141 45, 58, 59]. Это вызывает деформацию межблочных контактов, их сжатие, растяжение и взаимный сдвиг. Дополнительные поля напряжений, инициированные распространением волн напряжений, вызывает нарушение равновесного состояния среды. После прохождения возмущений в массиве горных пород начинаются релаксационные процессы, приводящие к относительно медленному распространению деформационных волн от источника возникновения динамических нагрузок — обрушаемого технологического блока [102-106]. Так как деформационные и прочностные характеристики межблочных контактов на порядок и более меньше соответствующих характеристик сплошной среды, то послевзрывное деформирование массива осуществляется преимущественно по границам относительно сплошных блоков [107-109]. Здесь же реализуется сдвиг блоков по межблочным контактам за счет действия касательных напряжений [110-112]. Вызывается это значительно меньшими пределами прочности межблочных контактов на сдвиг, чем на сжатие.
Еще одна причина такого характера деформирования блочного массива состоит в том, что сжатие межблочного контакта с упругим модулем ограничено его толщиной, величиной весьма незначительной, а для раскрытия межблочного контакта в блочной среде, не нарушенной горными выработками, требуется действие значительных внешних усилий [107]. Таким образом, распространение в массиве горных пород деформационных волн, вызванных массовыми взрывами, происходит за счет сдвигов относительно сплошных блоков по межблочным контактам под действием касательных напряжений.
Приняв это, установленное в теоретических и экспериментальных исследованиях, положение, рассмотрим каким образом можно дать оценку скоростей распространения деформационных волн, инициированных массовыми взрывами. Здесь нужно отметить, что процессы разрушения в межблочных контактах, также как и в сплошном массиве, носят временной характер. Чем меньше уровень касательных напряжений, тем большее время необходимо для реализации условий сдвига контактирующих блоков. Степень воздействия волн напряжений, вызванных взрывом технологических блоков, на разные участки массива горных пород свяжем с максимальными касательными напряжениями, достигаемыми здесь за время их прохождения.
Такая зависимость качественно согласуется с законом изменения времени разрушения в сплошном теле от действующих напряжений, отраженном в формуле Журкова (1.2). Вместе с тем, формула (4.1) отражает наиболее важные физические особенности характера деформирования блочного массива: при т-»0, t-»oo, а при т-»оо, t-»0. Неизвестные параметры А и п предполагается установить по фактическим данным пространственно-временного распределения динамических явлений и афтершоков Кочуринского землетрясения.
Таким образом, математическая модель взаимодействия массовых взрывов и эпицентра Кочуринского землетрясения заключается в следующем. С помощью комплекса программ, устанавливающих распределение динамических напряжений в массиве горных пород после взрывов технологических блоков, в каждой расчетной точке определяется максимальная величина ттах, достигаемая здесь за все время прохождения волн напряжений. Затем с помощью зависимости (4.1) рассчитывается время прихода деформационной волны в каждую точку расчетной области. Так как напряжения, возникающие в волновом поле, имеют максимальные значения в ближайшей окрестности взрываемого блока, а затем по мере удаления от его границ затухают, то и скорость деформационной волны будет уменьшаться при удалении от центра блока. Зная распределение в массиве наибольших величин тш можно установить конфигурацию и границу распространения деформационной волны в любой момент времени.
Для установления взаимосвязи факта прохождения деформационной волны с динамическими явлениями, произошедшими после массового взрыва блока №13, было проанализировано время возникновения событий и
расположение к этому моменту границы деформационной волны. На рис. 4.15 для одних и тех же моментов времени приведены величины расстояний до мест проявлений конкретных динамических явлений и до фронта распространения деформационной волны в направлении возникновения данного события. Видно, что в первые две минуты после обрушения блока эти расстояния несколько отличаются, затем в период 2-10 мин практически совпадают (рис. 4.15 а).
Мощное сейсмическое воздействие на массив горных пород в районе г. Таштагол после Алтайского землетрясения вызывало разгрузку массива в эпицентральной зоне Кочуринского землетрясения через серию афтершоков с уменьшающейся энергией. Такой же характер поведения эпицентральной зоны выявлен при горных ударах, происходящих сразу после обрушения блоков.
В рамках принятой теории временного накопления повреждаемости построена математическая модель распространения квазистатических деформационных процессов в массиве горных пород от очага взрыва до эпицентральной зоны землетрясения. Выявлены особенности конфигурации фронта деформационной волны и определены расстояния от него до очага взрыва и до динамических явлений в различные моменты времени. Установлено, что более 60% динамических явлений в шахтном поле связано с фактом прохождения деформационного квазистатического процесса через соответствующую область массива. Определены значения скоростей движения деформационной волны в зависимости от времени, прошедшего с момента обрушения блока: через 25 с деформационная волна движется со скоростью 1,95 м/с; через Юмин. — 0,32 м/с; через 1 час — 0,18 м/с; через 5 дней — 0,0075 м/с.
