Главная О проекте Архив новостей Статьи Об авторах Конференции Форум Ссылки
МОНИТОРИНГ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ЗЕМНОЙ КОРЫ НА ШАХТЕ САРАНОВСКАЯ-РУДНАЯ
В.И. Ручкин, А.Д. Сашурин, А.А. Панжин, В.В. Дубовик
Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург
Работа выполнена при поддержке РФФИ
Аннотация: В докладе изложена сущность метода проведения инструментальных наблюдений за изменением напряженно-деформированного состояния верхней части земной коры, приведены способы обработки экспериментальных данных и результаты первого этапа мониторинга, осуществленного на шахте Сарановская-Рудная.
Введение
Одним из основопологающих вопросов современной геодинамики является изучение закономерностей изменения естественного напряженно-деформированного состояния массива горных пород во времени. Численные значения приращений напряжений во времени и направленность в пространстве могут пролить определенный свет на причины и источники происходящих изменений. В настоящее время накоплен значительный объем данных об изменениях сдвижений и деформаций во времени в зоне влияния очисных работ, но выделить в них составляющие естественных изменений пока весьма затруднительно.
С внедрением в практику маркшейдерских наблюдений за процессом сдвижения горных пород высокопроизводительных и высокоточных комплексов спутниковой геодезии типа GPS возникла реальная возможность организации специального мониторинга за изменениями напряжений с определением численных значений приращений напряжений и направления их действия. Мониторинг пока носит периодический характер. Ниже рассмотрен пример выполнения первого этапа мониторинга на хромитовой шахте Сарановская-Рудная Пермской области, осуществляемый с применением комплекса спутниковой геодезии, включающая два приемника 4600LS фирмы Trimble (США).
1. Горно-геологические условия мониторинга
Сарановское хромитовое месторождение расположено в западном крыле Центрально-Уральского поднятия и приурочено к габбро-серпентинитовому массиву. Само месторождение представлено крутопадающими на восток дайкообразными рудными телами субмеридионального залегания.
В тектоническом отношении на месторождении наблюдается преобладание сдвигов над сбросами. Отчетливо прослеживается ступенчатость нарушений - каждый нижележащий блок смещен относительно верхнего на восток. Серпентенитовый массив и рудные тела пересекают диабазовые дайки мощностью 2-5 м.
2. Метод проведения мониторинга
2.1 Сущность метода
Метод мониторинга за изменениями напряжений в верхней части земной коры
основывается на обычных приемах измерения напряжений. На выбранном участке
земной поверхности оборудуется специальная наблюдательная станция, по которой
периодически производятся высокоточные геодезические измерения смещений
реперов в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Экспериментальные данные
по смещениям реперов и изменениям длин линий и превышений между реперами
интерпретируются в деформации исследуемого участка, величины приращений
напряжений и направления главных приращений напряжений. Таким образом, принятая методика мониторинга
обеспечивает периодический контроль за параметрами полного тензора приращений
напряженного состояния на экспериментальном участке.
2.2 Конструкция наблюдательной станции
Специальная наблюдательная станция на Сарановском месторождении представляет
собой систему из опорных и рабочих геодезических реперов, представленных
на рис. 1
и на рис. 2.
В качестве опорных реперов, удаленных от исследуемого участка на довольно
значительное расстояние, использованы четыре пункта сети полигометрии.
Для непосредственного наблюдения деформаций на локальном участке, дополнительно
были оборудованы двенадцать рабочих реперов в фундаментах оттяжек радиорелейной
мачты, находящейся в мульде сдвижения, как показано на рис. 3.
Измерения смещений осуществляются комплексом спутниковой геодезии типа GPS,
состоящего на первых сериях измерений, из двух приемников 4600LS фирмы
Trimble Navigation (США), в дайльнейших сериях измерений использовалось от
четырех до шести приемников. В каждой серии наблюдений, на первом этапе работы
производится определение неизменности положения опорных реперов.
На втором этапе полевых работ определяются величины смещений рабочих реперов
наблюдательной станции относительно системы опорных реперов. На опорных
реперах приемники центрируются с помощью оптических центриров на теодолитных
треногах. На рабочих реперах приемники закрепляются непосредственно стопорным
винтом, что исключает погрешности при центрировании.
2.3 Математический аппарат
Приращение напряжений на исследуемом участке земной поверхности определяются по известным формулам взаимосвязи с напряжениями [1]. При измерении деформаций по трехкомпонентной розетке, в которой два направления (ε1, ε2) взаимно перпендикулярны и третье (ε3) направленно под углами 45° к ним, величины и направления главных нормальных напряжений определяются из выражений:
( 1 ),
где Е, μ - модуль упругости и коэффициент Пуассона массива горных пород; ε1, ε2, ε3 - деформации по соответствующим направлениям; σ1 и σ2 - главные нормальные напряжения; τмаx - максимальное касательное напряжение; φ - угол между направлением ε1 и главным нормальным напряжением σ1.
При использовании других видов розеток с иными направлениями измеренных деформаций могут быть получены аналогичные расчетные формулы.
2.4 Обработка результатов
Конструкция наблюдательной станции позволяет составлять из измеренных отрезков большое число вариантов розеток, что обеспечивает многократное определение одних и тех же параметров приращений напряжений. Для обеспечения статистической обработки полученных результатов все варианты тензора приращений напряжений приводятся к одной ориентировки и находятся значения σx, σy и τxy для всех вариантов. По этим данным находятся средние значения σx, σy и τxy, через которые определяется обобщенный тензор приращений напряжений, т.е. σ1, σ2 и φ.
Применение такого способа обработки и интерпретации экспериментальных данных позволяет учесть дискретных характер деформирования массива горных пород и выйти на интегральные характеристики приращения напряжений.
3. Проведение мониторинга
Наблюдательная станция на Сарановском месторождении была оборудована в мае 1997 г. В это же время была проведена исходная серия наблюдений, предназначенная для определения положения опорных и рабочих реперов в пространстве. Повторные серии наблюдений были выполнены в октябре и декабре 1997 г. В статье приведены результаты первой повторной серии, проведенной в октябре 1997 г., т.е. через 4 месяца после оборудования.
Анализ точности измерений показал, что погрешность определения исходных пунктов очень высока и соответствует точности геодезических высотных и плановых сетей 1-2 класса и погрешность определения координат рабочих реперов не превышает 2 мм в плане и 3 мм по высоте (величина невязки замкнутых геодезических построений в плане составляет 0.5 мм, а по высоте 1-1.5 мм).
4. Результаты мониторинга
Для определения приращений напряжений за первый этап мониторинга, было использовано пять вариантов розеток. Результаты определения параметров тензора приращений напряжений по каждому варианту и по всей совокупности представлены в таблице ниже.
Величины компонентов тензоров приращений напряжений
По известным формулам преобразования через средние значения σx, σy и τxy легко определяются главные нормальные приращения напряжений и их направления, которые численно равны: σ1 = 0.494 МПа; σ2 = 0.165 МПа; φ = 34°.
Индивидуальные тензоры приращений напряжений по каждому расчетному варианту
приведены на рис. 4.
Здесь же показано расположение рабочих реперов наблюдательной станции,
направление и величины компонент обобщенного (среднего) тензора приращения
напряжений. Таким образом, за исследуемый период времени на исследуемом участке
произошло снижение сжимающих напряжений на указанные выше величины, по
сравнению с первоначальным напряженным состоянием участка. Направление
приращений компонент напряжений также показано также на рис. 1.
Заключение
В статье рассмотрен вариант метода проведения мониторинга за изменениями параметров напряженно-деформированного состояния на участке земной коры с использованием комплекса спутниковой геодезии. Результаты этапа выполненного мониторинга свидетельствуют о достаточной эффективности и надежности принятого варианта.
Подрисуночные надписи:
Рис. 1. Схема специальной наблюдательной станции
Рис. 2. Схема расположения рабочих реперов наблюдательной станции
Рис. 3. Конструкция рабочего репера в фундаменте антенной оттяжки
Рис. 4. Схема тензоров приращений напряжений по пяти вариантам из первой серии наблюдений
Использованные источники:
1.Кораблев А.А. Современные методы и приборы для изучения напряженного состояния массива горных пород -М: Наука, 1969.
© 1998 Владимир И. Ручкин, Анатолий Д. Сашурин, Андрей А. Панжин, Владислав В. Дубовик
