Закономерности формирования напряженного состояния структурно неоднородных массивов горных пород Савченко, Степан Николаевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Характерными особенностями современной горнодобывающей промышленности являются большие объемы добычных работ, достигающие нескольких миллиардов куб.м, глубины свыше 1000м, образование очистных пространств с огромными площадями обнажений, обрушение и самообрушение пород-в несколько миллионов куб.м, приводящее к значительным изменениям естественного рельефа поверхности. Все это сопровождается перераспределением исходных полей напряжений, способствует возникновению сильных концентраций упругой энергии массива на отдельных участках, которая, высвобождаясь, может приводить к горным ударам и техногенным землетрясениям. Как правило, это происходит вблизи границ блоков различных масштабных уровней в "результате их перемещения.

Успешное решение проблемы горных ударов определяется своевременностью выявления удароопасных условий и внедрением, необходимых профилактических мероприятий на стадии проектирования, строительства и эксплуатации горнодобывающих предприятий; новых рудников и горизонтов и различного рода подземных сооружений.

Для этого необходима надежная информация о параметрах исходного поля напряжений - важнейшего фактора, определяющего характер происходящих в массиве процессов и развитие связанных с ним деформаций.

Это наиболее сложная задача, так как параметры поля напряжений в массиве, изменяющиеся как по площади, так и по глубине, находятся, в сложной зависимости от многих условий:

геометрии массива (рельеф поверхности, размеры, взаимное расположение и конфигурация блоков, разломных зон. выработок, об-натсений и т. д.);

геологических и физико-механических свойств (структурные неоднородности, нарушения, трещиноватость, блочность. жесткостные и прочностные характеристики);

действующих силовых полей (вид нагружения, соотношение величин, ориентация).

К настоящему времени получила широкое признание концепция, согласно которой суммарное напряженное состояние массива определяется действием двух силовых полей - гравитационного и тектонического є изменяющимися в широком диапазоне соотношениями между ними.

Исследования выполнены в рамках плановой тематики Горного института Кольского научного центра РАН по заданиям важ-

кейшей научно-технической проблемы ГКНТ СССР 0.74 "Сейсмология и сейсмостойкое строительство" в 1981-1990 г.г., 'в рамках важнейших государственных научно-технических программ N16 "Безопасность населения й народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф" и N18 "Глобальные изменения природной среда и климата" (Постановление- N413 СМ СССР от 18.05.1985, РАЯ СССР N1C103-1017 от 10. 08.1381г. И N10103-1-15 ОТ 3.12.1990г.), а также программы ГКНТ СССР по "Созданию и внедрению эффективной и безопасной технологии ведения горных работ, системам автоматизированного прогноза удароопасности при разработке удароо-пасных рудных и нерудных месторождений и строительстве подземных сооружений на 1986-90Г. г. (Постановление ГКНТ СССР N552 от 29.10.1985г..' РАН СССР N10103-2027 ОТ 28.11.1985г.).

Целыо диссертационной работы является установление закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния массивов горных пород с учетом структурных неоднородностей (нарушен-ность. блочное строение) и рольефа при действии гравитационно-тектонических силовых полей для геомеханического обоснования отработки месторождений полезных ископаемых.

Идея работы состоит в использовании реакции массива сложного блочного строения и с гористым рельефом на внешние силовые природные и _ техногенные воздействия при ведении горных работ для выделения предельно напряженных зон в нетронутом массиве и вблизи горных выработок.

В соответствии с целью и идеей в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1. На основе исследования напряженно-деформированного состояния тектонически нарушенных массивов и его изменчивости в процессе развития нарушений установить закономерности образования блочных структур. _

2. Исследовать напряженное состояние пород в массивах заданного блочного*строения различных масштабных уровней. . сформировавшегося в процессе эволюционного развитая земной коры, с целью реконструкции величины действующих на бесконечности усилий.

3. Установить закономерности формирования напряженно-деформированного состояния массивов с гористым рельефом в условиях действия гравитационных и тектонических силовых полей.

4. Выявить качественную и количественную характеристики влия-

ния отработки мощных месторождений на напряженное состояние пород в окрестности выработок, располагаемых на различных участках массивов с гористым рельефом и вблизи очистных' пространств применительно к условиям отработки Хибинских апатитовых месторождений.

5. Разработать комплекс вычислительных программ для расчета напряженно-деформированного состояния массивов сложного строения и с гористым рельефом.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач применяются численные и аналитические методы математической теории упругости, а также физическое моделирование на эквивалентных материалах. Из численных методов использованы метод*граничных элементов и метод, конечных элементов. Расчеты методом граничных элементов в плоской постановке задач выполнены по программам, разработанным автором, а методом конечных элементов в объемной постановке - по комплексу программ "LIRA-80", разработанному в НИИАСС Госстроя Украины. Решение краевых задач для массива гористого строения выполнено методом конформных отображений, а расчет напряжений - по программам, разработанным автором. . ?

Научные положения, выносимые на защиту:

модель формирования .блочных структур.в процессе изменения нарушенное массивов под воздействием сжимающих силобых полей естественного и техногенного происхождения, заключающаяся в том, что в массиве со случайно ориентированной системой трещин в результате возникновения растягивающих напряжений в их окрестности и разрушения за счет этого барьерных зон, сопровождаемого динамическими проявлениями в виде горных ударов, естественных и техногенных землетрясений, формируются системы магистральных разрывов, объединяемых в разломные зоны, ограничивающих блоки различного масштабного уровня.

установленные закономерности распределения и ориентации главных напряжений в массивах блочного строения на примере от Евразийской плиты до геологических структур Хибинского массива'и глубоких горизонтов подземных рудников, выражающиеся в увеличении максимальных касательных напряжений для блочных массивов, способствующих большей подвижности меньших блоков на фоне общей устойчивости структур большего масштабного уровня.

закономерности распределения напряжений в массивах гористо-

го рельефа, полученные на основе решения задач математической теории упругости, для геомеханического обоснования отработки месторождений полезных ископаемых и определения устойчивости горных выработок, располагаемых в таких массивах. Характерные из них - увеличение коэффициентов концентрации горизонтальных напряжений в массивах ниже уровня дна долин и снижение величины вертикальных напряжений в нагорных участках за счет возникновения вертикальных растягивающих при действии горизонтальных тектонических сил.

- установленные особенности формирования зон повышенных концентраций тангенциальных напряжений в сопряжениях кровли и стенок, обращенных в сторону обнажения при расположении выработок в окрестности очистных пространств и элементов рельефа, чем объясняются асимметричные формы разрушения приконтурного массива вблизи таких выработок.

Научна^ новизна работы.

5. Установлено, что в условиях действия на бесконечности сжимающих усилий, ориентированных под ненулевым углом относительно простирания разрывов (трещин) в окрестности их концов существуют области; вкоторых оба главных напряжения растягивающие, а на противоположных - сжимающие; причем одно из них остается растягивающим в широком диапазоне соотношения действующих сил вплоть до гидростатического давления при условии меньшей жесткости заполнителя по сравнению с жесткостью вмещающих пород. При этом вторая составляющая сжимающих усилий выступает в качестве фактора, упрочняющего массив, в том смысле, что для достижения критических значений напряжений в опасных областях при двухосном сжатии необходимо увеличение действующих усилий в первом направлении.'

6. Установлен характер разрушения барьерных зон. разделяющих разрывы, в зависимости от углов ориентации их "относительно направления действующих сжимающих усилий и определен наиболее опасный угол ориентации (60), при котором в первую очередь происходит разрушение барьерных зон при прочих равных условиях.

7. Дана численная оценка интегральных физико-механических характеристик пород, содержащих упорядоченную или, случайную систему нарушений сплошности в зависимости от числа и размеров нарушений, определяемая формулами:

Е = ЕоЄХр(-О.Збзй); v = v„exp(-0.1&Q); Q = nl_t²

E, Eq. v. v₀ - модуль Внга и коэффициент Пуассона нарушенно-

го и сплошного массивов, п - число нарушений, 1 - длина их.

4. Предложена модель формирования блочных структур в условиях действия сжимающих силовых полей, заключающаяся в том. что в результате разрушения барьерных зон в системах случайно ориентированных трещин образуются системы упорядоченных нарушений, которые срастаются в магистральные разрывы, ограничивающие породные блоки.

5. Дано доказательство одной из возможных причин возникновения аномально высоких горизонтальных напряжений вблизи дневной поверхности в условиях действия только гравитационных сил в процессе квазистатического внедрения магмы в районе срединно-океанических рифтов и горообразования, оцениваемых величиной (0.1-0.33)уН. где Н - мощность земной коры.

6. Исследовано распределение и ориентация главных напряжений в массивах блочного строения по схеме последовательного вложения малых структур в большие для конкретных условий: Евразийская плита. Карело-Кольский геоблок. Кольский полуостров, центральная часть Кольского полуострова, геологические структуры Хибин, глубокие горизонты рудника. В результате этих исследований установлено, что при переходе к блочным структурам меньших масштабных уровней увеличивается доля^:больших отношений главных напряжений и происходит их переориентация по сравнению с- однородными массивами таких же размеров и формы при одинаковых граничных условиях. Это способствует увеличению подвижности блоков друг относительно друга на фоне общей устойчивости структур большего масштабного уровня.

7. Установлено, что при одинаковых граничных усилиях величины компонент тензора напряжений в плоских сечениях массива с гористым рельефом при объемной постановке задачи на 10-15% меньше соответствующих компонент тензора напряжений, получаемых при решении задачи в плоской постановке. Это позволило в дальнейшем свести задачу об объемном напряженном состоянии массивов с гористым рельефом к плоской задаче теории упругости для взаимно ортогональных сечений.

8. Получены общие решения первой краевой задачи математической теории упругости для массивов с гористым рельефом при различных граничных условиях, на основании которых исследованы закономерности распределения зон повышенной концентрации напряжений для конкретных случаев рельефа: одиночные выступы и выемки, системы конечных и периодических выступов, уступообразные и консолеобраз-ные поверхности, массивы с тектоническими нарушениями типа выходя-

щих на поверхность трещин. .

9. Выявлены особенности напряженного состояния пород в ок
рестности выработок, располагаемых в.зонах влияния'очистных прост
ранств и элементов, рельефа.заключающиеся в том. что в сопряжениях
кровли и стенки выработки,' обращенных в сторону очистного прост
ранства, склона горы или долины, в условиях-действия горизонталь
ных тектонических сил возникают высокие концентрации тангенциальных
напряжений, приводящие к асимметричному разрушению приконтурного
массива.

10. Разработаны пакеты программ для расчетов напряжений мето
дами граничных элементов и функций комплексной переменной в одно
родных и неоднородных средах, а также массивов с гористым рельефом.

Лостоверность научных- положений и выводов обеспечивается:

корректностью постановки задач и методов их решения:

сопоставимостью результатов исследований различными методами и независимыми результатами других исследователей, а также с данными натурных наблюдений;

положительным эффектом внедрения результатов исследований в проектных организациях и горнодобывающих предприятиях.

Практическая ценность.

Закономерности распределения напряжений в массивах, обладающих структурными неоднородностями и гористым рельефом, имеют принципиально важное значение для прогнозов удароопасности горных пород в различных участках месторождений, обрушений и самообрушений покрывающих пород и являются теоретической основой при разработке новых приемов ведения горных работ в высоконапряженных массивах на глубоких горизонтах. Знание этих закономерностей необходимо для геомеханического обоснования при оборудовании станций на сейсмо-прогностических полигонах, при возведении специальных подземных объектов, гидротехническом строительстве.

Разработанные программы для расчета напряженно-деформированного состояния массивов пород методом 'граничных элементов могут быть использованы для этих же целей, применительно к объектам, имеющим конечные размеры, (несущие части конструктивных элементов строительных сооружений, детали машин), а также к объектам, физико-механические характеристики которых неоднородны.

Реализация результатов работы:

Результаты исследований доведены до практического использова-

ния, внедрены в практику и отражены в:

1. "Регламенте на отработку нижних горизонтов Кировского рудника П0"Апатит";

2. Рекомендациях по безопасной отработке Юкспорской прирезки Кировского рудника и на Расвумчоррском руднике ПО"Апатит";

3. Рекомендациях по рациональной последовательности разделки сопряжений горных выработок в высоконапряженном массиве пород на удароопасных участках гор. +172 м Кировского рудника;

4. Прогнозной оценке распределения напряжений на контуре подготовительных выработок при отработке блока-целика в разрезах 9-11 горизонта +530м Юкспорского рудника П0"Апатит";

5. Заключении по порядку отработки блока 8/10 гор. +470 м Расвумчоррского рудника длинными секциями вкрест простирания руд-

'ного тела с учетом геомеханических условий;

6. Методических указаниях по проектированию горных выработок на удароопасных участках рудников ПО "Апатит";

7. Часть разработанных программ внедрены в учебный процесс Московского инженерно-строительного и Ленинградского Торного институтов.

Экономический эффект от внедрения разработок составил около 1.5 миллионов руб. в ценах 1389г.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных семинарах по измерению напряжений в массивах горных пород (Новосибирск, 1977, 1979), Всесоюзных семинарах по аналитическим методам и применению ЭВМ в механике горных пород (Новосибирск. 1982, 1985). Всесоюзной научной конференции по проблемам механики подземных сооружений (Тула, 1982), Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и способов охраны капитальных и подготовительных выработок (Якутск, 1982), Всесоюзной школе-семинаре по измерению напряжений и их приложению в прогнозе землетрясений (Апатиты, 1980). Все-' союзном симпозиуме "Численные и аналитические методы определения напряженно-деформированного состояния горных массивов в задачах геофизики и геомеханики" (Тбилиси, 1982). _# Всесоюзной конференции по механике горных пород (Тбилиси, 1985), Всесоюзном симпозиуме "Тектонические основы и инженерно-геологические аспекты изучения напряженного состояния пород при разведке и эксплуатации месторождений" (Апатиты. 1983). Всесоюзном семинаре по механике тектони-

ческих процессов (Алма-Ата. 1984), Всесоюзной школе-семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород" (Фрунзе, . 1985), Международном конгрессе по численным методам в геомеханике (Нагоя, 1985). 37-м Горно-металлургическом конгрессе (Фрайберг, 1986), Международных конференциях по численным методам в геомеханике (Инсбрук,1988), по компьютерным методам в геомеханике (Австралия. 1991), Международном симпозиуме по оценке и предотвращению явлений разрушения при ведении инженерных работ в скальных породах (Стамбул, 1993).'

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано самостоятельно и в соавторстве в 47 работах, в том числе одна монография, одно авторское свидетельство, 8 работ, опубликованы за рубежом.

Сруктура и объем работы. Диссертация состоит из введения. 7 глав, заключения и приложения, изложенных на 218 страницах текста. 119 рис.. 25 таблиц, списка литературы из 340 наименований и 14 с. приложений.

Автор выражает искреннюю благодарность д. т. н. Г. А. Маркову. д.т.н. А.А.Козыреву, кандидатам технических наук В.И.Иванову. В.И.Панину, А.В.Ловчикову, научным сотрудникам В.А.Мальцеву, Н.И. Белову, В. В. Павлову за многолетнее плодотворное сотрудничество, а также сотрудникам ВЦ КНЦ РАН: Каржавиной СИ... Румянцевой О.Н. й Соловьевой В.М. за содействие в выполнении вычислительных работ.