Главная О проекте Архив новостей Статьи Об авторах Конференции Форум Ссылки

РОЛЬ ДИСКРЕТНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ В ОХРАНЕ ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ СООРУЖЕНИЙ

Н.А. Панжина

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург

Работа выполнена при поддержке РФФИ

Аннотация: В докладе представлены результаты экспериментальных исследований деформирования трещиноватого блочного массива скальных горных пород. Эксперименты проводились в натурных условиях на обширных участках массива горных пород, находящихся в областях влияния подземных разработок на рудных месторождениях Урала. Инструментальные геодезические измерения деформаций производились на протяжении более 20 лет. В экспериментальных полях деформации на исследуемых площадях четко проявляется дискретный характер их распределения. Уровень дискретности деформирования скальных массивов играет важную роль в проблеме сохранения сооружений, находящихся в мульде сдвижения, так как на границе структурных блоков уровень деформаций может быть в несколько раз больше, чем в самом блоке.

Введение

В практике охраны сооружений, находящихся в мульде сдвижения от подземных разработок, обычно ориентируются на равномерное распределение деформаций в массиве горных пород и на участке земной поверхности под охраняемыми объектами. В действительности же реальный блочный массив скальных пород деформируется весьма неравномерно. Значительная часть деформаций реализуется на границах структурных блоков, образуемых трещиноватостью различных уровней. Причем не все структурные блоки деформируются с одинаковой интенсивностью. Скорость развития деформаций определяется степенью нарушения устойчивости по структурной плоскости. Величины деформаций на участках их расположения в несколько раз превосходят уровень деформаций в самих структурных блоках. В соответствии с иерархически блочным строением массива скальных горных пород это явление присуще каждому уровню блочности. Влияние дискретности деформирования скальных массивов на состояние объектов определяется соотношением размеров возникающих экстремальных зон и охраняемых объектов. При небольших размерах деформирующихся структурных нарушений, локализующихся в пределах контуров охраняемых объектов, их неблагоприятное воздействие носит местный характер и может быть компенсировано конструктивными мерами. В случае, когда в процесс деформирования вовлечены достаточно протяженные структуры, на которых расположены ответственные сооружения, проблема их строения может оказаться неразрешимой. Причем, на таких нарушениях высокий уровень деформаций может распространиться далеко за границы мульды сдвижения, отстраиваемые по средним значениям деформаций. Следовательно, дискретное деформирование массива скальных горных пород оказывает важнейшее влияние на состояние охраняемых объектов. Поэтому расположение проектируемых и строящихся сооружений рудника должно производиться с учетом расположения структурных блоков и их состояния при деформировании вторичного напряженно-деформированного состояния в области влияния горных работ. По возможности необходимо избегать расположения ответственных сооружений над структурными нарушениями, особенно над теми, которые в процессе разработки месторождения потеряют устойчивость. Экспериментальные исследования деформаций проводились с целью практической оценки роли дискретности в решении проблемы охраны сооружений от воздействия процесса сдвижения на шахтах Северопесчанской и Сарановской-Рудной.

1. Методика исследования деформаций

Деформации массива горных пород на горных предприятиях исследуются путем проведения систематических инструментальных измерений по специальным наблюдательным станциям, оборудованным на земной поверхности. Наблюдательные станции, как правило, состоят из системы геодезических реперов, расположенных по профильным линиям вкрест и по простиранию рудных тел. Реперы представляют собой металлические стержни, забетонированные в скважины за пределами глубины сезонного промерзания, составляющей 1.8 - 2.0 м. Расстояние между реперами составляет от 10-15 м до 25-50 м. Каждая профильная линия включает в себя рабочие реперы и опорные, находящиеся за границами мульды сдвижения.

Инструментальные наблюдения включают в себя два вида высокоточных измерений - горизонтальных длин интервалов профильных линий и высотных отметок реперов. Длины измеряются в прямом и обратном направлениях стальными компарированными рулетками с точностью 1:20000. Высотные отметки определяются нивелированием III класса с точностью до 3 мм/км.

По изменениям длин интервалов вычисляются горизонтальные деформации растяжение-сжатие, а по изменениям высот - вертикальные деформации - наклон. Эти два вида деформаций анализируются. Периодичность наблюдений в зависимости от развития процесса сдвижения составляет 1-2 раза в год.

В последнее время все большее количество измерений деформаций производится с использованием комплексов спутниковой геодезии. Использование новых методик позволяет получить полный пространственный вектор смещения репера наблюдательной станции, а не его проекцию на профильную линию, как это происходило при использовании традиционной методики.

2. Результаты исследований на шахте Сарановская-Рудная

На хромитовой шахте Сарановская-Рудная наблюдения за деформациями массива горных пород производятся с 1979 года. В качестве экспериментального участка для исследований дискретности деформирования массива горных пород был выбран участок земной поверхности, размером 400х200 метров, расположенный в висячем боку месторождения. Участок ограничен профильными линиями I и II, по которым заложено 35 рабочих реперов.

Дискретность деформирования данного участка исследовалась по абсолютным значениям распределения скоростей вертикальных и горизонтальных деформаций. На рис. 1 и рис. 2 представлены совмещенные графики скоростей распределения вертикальных (сплошная линия) и горизонтальных (пунктирная линия) деформаций, зафиксированных за период с 1979 по 1998 г.г. на профильных линиях I и II. Как видно из рисунков, характер распределения скоростей вертикальных и горизонтальных деформаций во многом имеет общую природу. Коэффициент корреляции между ними в данном случае достаточно велик и составляет 0.89 для профильной линии I и 0.80 для профильной линии II.

Распределение скоростей деформаций по профильным линиям происходит крайне неравномерно. Зоны с повышенными скоростями деформаций могут быть представлены в виде сравнительно узких полос, пересекающих профильные линии. Необходимо отметить тот факт, что несмотря на несколько иную природу проявления вертикальных и горизонтальных деформаций, они концентрируются на одних и тех же участках. Имеющиеся отклонения в распределении скоростей вертикальных и горизонтальных деформаций во многом обусловлены наличием на экспериментальном участке блочности более низкого иерархического порядка. Чтобы исключить ее влияние, результаты измерений были подвергнуты статистической обработке - сглаживанию методом скользящего окна.

По результатам статистической обработки были заново построены графики распределения скоростей вертикальных и горизонтальных деформаций, представленные на рис. 3 и рис. 4 Как видно из рисунков, в результате сглаживания кривая распределения скоростей деформаций приобрела более спокойный характер, исчезли некоторые локальные возмущения поля деформаций. Несмотря на это, сохранилась довольно сильная связь между распределением скоростей разных видов деформаций. Для случая профильной линии I, коэффициент корреляции вырос и составил 0.96 против 0.89 до сглаживания. Это свидетельствует во-первых, о сильной связи между закономерностями распределения вертикальных и горизонтальных деформаций, а во-вторых, о влиянии блочности более низкого уровня на деформирование массива горных пород.

Для случая же профильной линии II, коэффициент корреляции наоборот уменьшился, и составил 0.60 против 0.80 до сглаживания. Это свидетельствует о том, что в деформировании данного участка основную роль играют геологические структуры более низкого порядка, которые в результате статистической обработки были сглажены. Однако связь между распределением скоростей вертикальных и горизонтальных деформаций прослеживается достаточно четко.

Как следует из вышеописанного, на экспериментальном участке шахты Сарановской-Рудной в значительной мере проявляется дискретный характер деформирования массива горных пород. Значительную роль в деформировании массива играют как достаточно крупные, размером до 100 метров блоки массива, так и более мелкие структуры.

3. Результаты исследований на шахте Северопесчанская

На шахте Северопесчанской наблюдательная станция заложена на промышленной площадке рудника в лежачем боку месторождения и служит для охраны сооружений рудника от вредного влияния горных разработок. Геодезические наблюдения на наблюдательной станции производятся на протяжении 30 лет.

С 1973 г. на промплощадке шахты происходит аномальное развитие процесса сдвижения, которое создает угрозу промышленным сооружениям рудника, в том числе главному подъемному комплексу. В результате исследований было установлено, что такое развитие процесса сдвижения было обусловлено формированием вторичного поля напряжений в условиях анизотропного тектонического поля напряжений, максимальные сжимающие напряжения которого действуют по простиранию месторождения и создают высокий уровень концентрации вторичных напряжений в лежачем боку.

На рис. 5 показано распределение суммарных вертикальных деформаций на экспериментальном участке, накопившихся к 1996 году. Максимальные уровни деформаций зафиксированы у границ зоны обрушения. Скорее всего этот уровень деформаций близок к предельному состоянию, при которых зона плавных деформаций переходит в зону обрушения. Распределение деформаций по территории происходит неравномерно, с взаимным чередованием зон повышенных и пониженных деформаций. Также обращает на себя внимание высокая контрастность в распределении деформаций. Таким образом, в скальном массиве горных пород, имеющем сложную иерархически блочную структуру при изменении напряженного состояния возникает дискретное поле напряжений. Внутренние области структурных блоков деформируются сравнительно однородно. В данном случае отчетливо выделяются 3-4 структурных блока в центральной части промплощадки, уровень деформаций внутри которых невелик. На границах структурных блоков, наоборот, происходит концентрация деформаций, причем коэффициенты концентрации могут быть достаточно велики и достигать в разных случаях значений от 2-5 до 10-15.

Заключение

Дискретный характер деформирования блочного массива горных пород безусловно оказывает непосредственное влияние на сохранность сооружений в зоне влияния горных разработок. Поведение структурных нарушений необходимо оценивать на стадии проектирования горных предприятий, но из-за отсутствия исходных данных такие прогнозные расчеты не производятся.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Скальный трещиноватый массив горных пород, имеющий сложную иерархически блочную структуру, деформируется как дискретная среда, в которой деформации концентрируются на границах структурных блоков.

2. Дискретность проявляется на всех уровнях блочной иерархии, но исследование ее параметров требует вариации длин интервалов наблюдательной станции.

3. Параметры дискретного деформирования имеют важное практическое значение в вопросах охраны сооружений от воздействия горных разработок и их влияние должно оцениваться прогнозными расчетами на стадии проектирования объекта.

Подрисуночные надписи:

Рис. 1. Распределение скоростей вертикальных и горизонтальных деформаций по профильной линии I

Рис. 2. Распределение скоростей вертикальных и горизонтальных деформаций по профильной линии II

Рис. 3. Распределение скоростей вертикальных и горизонтальных деформаций по профильной линии I после сглаживания данных методом скользящего окна

Рис. 4. Распределение скоростей вертикальных и горизонтальных деформаций по профильной линии II после сглаживания данных методом скользящего окна

Рис. 5. Распределение суммарных вертикальных деформаций на промплощадке шахты Северопесчанская

© 1999 Наталия А. Панжина