Введение к работе
Актуальность проблемы.
Развитие механики скальных пород и таких областей геофизики как сейсмология, механика землетрясений и т.д. в 80-е - 90-е годы во многом определяется тем, что необходимо учитывать дискретное строение твердой Земли. До последнего времени в геофизике и механике горных пород широко использовались континуальные модели, в которых характеристики среды усреднялись по пространству, а диссипативные свойства в основном приписывались относительно мелким неоднородностям.
Однако, большая часть общей деформации массива локализуется на более податливых контактах между блоками, поэтому при рассмотрении любых механических процессов в блочном горном массиве - от распространения микросейсмических колебаний до разрушения подземных выработок - на первый план выходит необходимость адекватного описания деформационных свойств межблоковых промежутков - нарушений сплошности земной коры различного масштаба.
Систематические исследования нормальных и сдвиговых деформационных свойств нарушений сплошности достаточно интенсивно проводились в последние три десятилетия как российскими, так и зарубежными специалистами. Подавляющее большинство результатов получено при испытаниях образцов лабораторного масштаба. Причина этого состоит в том, что существующие методы статических испытаний натурных трещин даже небольшого размера весьма трудоемки, а традиционные сеисморазведочные методы, основанные на шмерении скоростей распространения волн, малопригодны для определения механических характеристик таких объектов как тонкие, по сравнению с размером блоков, межблоковые промежутки.
Попытки описать поведение горного массива при весьма ограниченном количестве прямых измерений деформационных свойств природных нарушений сплошности привели к появлению большого числа недостаточно адекватных моделей. В силу этого, несмотря на значительное развитие в последние годы вычислительных методов, способных описывать деформирование дискретных (в том числе трехмерных) моделей, результаты, полученные этими методами, носят, как правило, иллюстративный характер.
Таким образом, проблема разработки методологии экспериментального определения деформационных свойств нарушений сплошности массива скальных пород в условиях естественного залегания и изучения закономерностей их деформирования является актуальной.
Цель данной работы - разработка методических основ экспериментальных способов оценки деформационных характеристик разрывных нарушений различного масштаба в условиях естественного залегания и определение закономерностей нормального и сдвигового деформирования нарушений сплошности массива скальных пород.
Основные задачи исследований.
-
Выбор экспериментальных методов, пригодных для измерения деформационных характеристик нарушений сплошности массива скальных пород в широком диапазоне изменения параметров как в лаборатории, так и в условиях естественного залегания.
-
Разработка методик проведения измерений и обработки полученных результатов.
-
Исследование механики деформирования нарушений сплошности массива скальных пород и оценка деформационных характеристик межблоковых промежутков различных типов.
На защиту выносятся следующие основные положения.
Использование результатов измерения амплитудных и временных параметров сейсмических колебаний для оценки деформационных свойств межблоковых промежутков в массиве скальных пород при нормальном и сдвиговом деформировании.
Методы инструментального определения деформационных характеристик нарушений сплошности массива скальных пород в условиях естественного залегания и способы обработки экспериментальных данных.
Результаты инструментальных измерений деформационных свойств межблоковых промежутков различных типов.
Нелинейный характер нормального и сдвигового деформирования нарушений сплошности.
Научная новизна работы.
Разработаны научно-методические основы экспериментальных способов определения деформационных характеристик нарушений сплошности массива скальных пород.
Впервые проведено систематическое исследование процесса динамического деформирования нарушений сплошности массива скальных пород в условиях естественного залегания.
Достоверность основных результатов обеспечивается:
сопоставимостью данных, полученных с использованием различных независимых измерительных методик;
проведением измерений как в лабораторных, так и в полевых условиях;
сравнением полученных результатов с данными ранее проведенных исследовашш в России и за рубежом.
Личный вклад автора:
участие в постановке задачи;
анализ литературных источников и обоснование методов исследований;
разработка методик проведения экспериментов и обработки их результатов;
изготовление и апробация датчиков;
подготовка и проведение лабораторных и полевых экспериментов;
обработка результатов экспериментов.
Практическая значимость.
Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию механики процессов деформирования блочных горных массивов.
Установленные в работе деформационные свойства межблоковых промежутков различных типов могут быть использованы при решении различных инженерных задач.
Разработанные методы экспериментального определения деформационных характеристик нарушений сплошности массива скальных пород могут применяться для получения исходных данных при создании расчетных моделей крупных подземных сооружений и объектов горнодобывающей промышленности.
Принципы, использованные в работе, могут быть также применены для обследования объектов более крупного масштаба таких, как месторождения углеводородов, сейсмогенные разломы, области повышенной проницаемости земной коры.
Апробация работы.
Основные положения работы докладывались на семинарах ИДГ РАН в 1992-1998гг.; 1-м Международном семинаре «Напряжения в литосфере (глобальные, региональные, локальные)», Москва, 1994г.; ХХХУШ-й Научной конференции МФТИ, Долгопрудный, 1994г.; 1-ом Международном форуме по анализу разрывных деформаций и моделированию сред с нарушениями сплошности (First International Forum on Discontinuous Defomation Analysis and Simulations of Discontinuous Media), Беркли, США, 1996г.; 36-м Симпозиуме США по механике горных пород «NYRocks'97», Нью-Йорк, 1997г.; ХІ-Й Российской конференции по механике горных пород, С.-Петербург, 1997г.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9-ти статьях и 7-ми научных отчетах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 93 страницы основного текста, 99 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 105 наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность своим научным руководителям Г.Г.Кочаряну и Н.В.Кабыченко за большую помощь в выполнении работы, В.Н.Костюченко за многочисленные ценные замечания, высказанные при обсуждении результатов исследований, а также А.Г.Новикову за помощь в проведении лабораторных и полевых опытов и всем участникам Выборгской экспедиции ИДГ РАН 1990 -1996 гг. Автор признателен сотрудникам НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ за помощь в организации полевых работ.