CC BY
74
О разрушении одномерной модели блочных сред в условиях длительного одноосного нагружения
В.Ф. Юшкин, В.Н. Опарин, В.М. Жигалкин, Б.Ф. Симонов,
В.В. Аршавский1, А.П. Тапсиев1
Институт горного дела СО РАН, Новосибирск, 630091, Россия 1 Горно-металлургический опытно-исследовательский центр,
ОАО «Норильская горная компания», Норильск, 663300, Россия
Экспериментально показано, что при длительном по времени (несколько месяцев) одноосном сжатии в условиях отсутствия бокового отпора блоковые структуры могут разрушаться при напряжениях, на порядок меньше предела прочности соответствующих образцов горных пород на одноосное сжатие. При действии силы сжатия, равной пределу прочности породы на изгиб, средняя скорость прорастания трещин отрыва оценивается величинами порядка 10-8 м/с и менее.
1. Постановка задачи
Открытие явления зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок заставило обратить пристальное внимание на причины его возникновения в горных выработках, поиск теоретических схем, в рамках которых оно может быть объяснено [1]. Так, в предложенной в [2] теоретической схеме используется аналогия между трещинами, возникающими вокруг подземных выработок, и сквозными трещинами, возникающими при сжатии хрупких образцов в условиях малого бокового давления (трещины отрыва). При осевой нагрузке, равной 60% от атах — предела прочности образца породы, при осевом сжатии уже происходит развитие трещин нормального отрыва в направлении наибольшего главного напряжения [3].
Систематическое развитие теории возникновения трещин отрыва применительно к обсуждаемому явлению дано в [4]. Не так давно появились и другие теоретические предположения об условиях возникновения явления зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок [5, 6]. Так, в [5] предложена неевклидова модель сплошной среды для описания поля напряжений вокруг подземной выработки круглого сечения. Здесь тензор Римана-Кристоффеля связан с наблюдаемой экспериментально несовместностью упругих деформаций по принципу Сен-Венана в массивах горных пород. Важно то, что здесь, пожалуй впервые, удалось
получить осциллирующие периодические графики изменения напряженно-деформированного состояния пород, окрестных к горным выработкам, по трем критериальным условиям: Мизеса, Треска и Ишлинского. Уместно отметить, что в [7, 8] уделялось особое внимание необходимости учета нарушения условий Сен-Венана в теоретических моделях поведения массивов горных пород и геоматериалов. В качестве феноменологической характеристики условия несовместности упругих деформаций пород для структурных элементов разного иерархического уровня может служить, например, геомеханический инвариант цА (8) (А — линейный размер блока, 8 — ширина трещины) [8].
В [6] теоретически показано, что разрушение горных пород, характеризуемое деформированием с ростом максимального сдвига, может происходить по неизвестной ранее схеме, описываемой системой гиперболических дифференциальных уравнений для плоской деформации. Ее решения содержат не две (как в теории пластичности), а четыре характеристики. Существенно то, что полученные результаты позволяют дать объяснение возникновению радиальной и кольцевой (как в явлении зональной дезинтеграции [1]) системе трещин, а также их комбинированному варианту.
Класс задач, который может быть решен в рамках той или иной из упомянутых теоретических схем и моделей проявления зональной дезинтеграции горных по-
© Юшкин В.Ф., Опарин В.Н., Жигалкин В.М., Симонов Б.Ф., Аршавский В.В., Тапсиев А.П.
род вокруг подземных выработок зависит от ряда факторов, которые могут быть определены только экспериментально в лабораторных или натурных условиях. К одному из них, безусловно, относится способность к разрушению горных пород и геоматериалов в направлении максимальной главной компоненты тензора напряжений. Хотя этот феномен наблюдался и описан для отдельных небольших по размеру образцов горных пород [3, 8, 9], тем не менее до сих пор остается неясным: а) наблюдается ли этот эффект для совокупности образцов горных пород или геоматериалов (блочные системы); б) если да, то существенно ли влияет это на уровень максимальной компоненты напряжений, приводящей к инициированию и росту во времени трещин отрыва.
Целью настоящей работы является попытка ответить на эти вопросы на примере одномерной модели блочной среды в виде столба кирпичной кладки при фиксированном значении длительного по времени одноосного сжатия, существенно меньшего предела прочности а с соответствующего геоматериала структурных элементов. Существенный интерес представляет количественное описание возникающих при этом систем трещин во времени с позиций их ориентации и размеров. Это позволяет сравнить результаты модельного эксперимента с соответствующими наблюдениями за процессом развития трещинообразования в массивах горных пород в натурных условиях при ведении подземных горных работ. Такой процесс характерен для разделительного массива РМ-1 между первой и второй шахтами рудника Октябрьский Хараелахской основной рудной залежи или разделительного массива РМ-2 между рудниками Октябрьский и Таймырский Талнахско-Октябрьского месторождения полиметаллов [10, 11].
Согласно кинетической концепции прочности возникновение и прорастание зародышевых трещин в твердых телах может быть инициировано при любых малых по величине напряжениях [12]. Тем не менее, на основе этой концепции невозможно прогнозировать ход процесса роста трещин и их ориентации в пространстве для сложно построенных блочных сред. Как показывает опыт экспериментальных лабораторных исследований [9], здесь не только не уделяется должного внимания изучению особенностей разрушения блоковых структур (изучается поведение лишь отдельных, как правило, небольших по размеру, образцов горных пород), но и отсутствует количественное описание морфологических особенностей и пространственной ориентации отдельных трещин или их систем, необходимое для сравнительного анализа натурных данных.
Авторы надеются, что результаты анализа особенностей разрушения простейших блочных моделей геосред послужат стимулом для развития более целенаправленных исследований в этом направлении.
2. Лабораторный эксперимент по длительному одноосному нагружению блочной модели постоянным давлением
В качестве блоков модели был выбран силикатный кирпич марки М-200 с размерами 250x120х88 мм3. Такой кирпич изготавливают способом прессования увлажненной смеси из песка и других мелких заполнителей (различные шлаки и пористые заполнители с размерами зерен до 5 мм) и извести с последующим твердением под действием пара в автоклаве [13]. Кирпич марки М-200 имеет предел прочности при сжатии а с = = 19.6 МПа, при чистом изгибе а{= 3.14 МПа. Постоянная нагрузка обеспечивалась при давлении 3.14 МПа. Коэффициент передачи давления в системе «гидронасос - шток гидроцилиндра - опорная плита стенда - модель блочной среды» составлял ~ 0.127 МПа/атм.
Эксперимент проводился на испытательном стенде, в силовой раме которого была установлена модель структуры в виде свободной кладки из десяти блоков, уложенных между нижней и верхней траверсами вертикально в один ряд (рис. 1) [14]. Между плитами траверс и внешними блоками модели были установлены прокладки из плотной резины толщиной 3 мм. Модель испытывалась в режиме одноосного сжатия по вертикали, что позволило имитировать действие вертикальных напряжений по аналогии с массивом.
На начальной стадии испытаний давление плавно увеличивалось от 0 до 3.14 МПа. По мере нагружения, начиная с давления ~ 1 МПа, были зафиксированы локальные разрушения в виде образования единичных трещин по боковым граням отдельных блоков. При этом отмечались акустические эффекты (щелчки, потрески-
Верхняя траверса ^___________ Грань III
Рис. 1. Схема расположения блоков на стенде: 1, 2, ..., 10 — порядковые номера блоков; — направление действия сжатия по верти-
кали; * — место зарождения контрольной трещины
Рис. 2. Вид контрольной трещины на заключительной стадии эксперимента
вания). Зарождение трещин инициировалось, вероятно, действием изгибающих усилий, возникающих в местах неплотного контакта блоков из-за шероховатостей грани кирпича. Ориентация трещин совпадает, в основном, с направлением действия силы сжатия — по вертикали (по аналогии с дискованием керна и шелушением бортов выработки [15, 16]).
При достижении давления 3.14 МПа отмечались первые визуальные признаки зарождения трещин на торцевых гранях блоков. Давление фиксировалось на данном уровне. План наблюдений состоял в следующем:
- контроль и регулирование давления в гидросистеме стенда;
- измерение длины контрольной трещины;
- регистрация появления трещин;
- определение характера разрушений.
Продолжительность эксперимента составила около
3.3 месяца. Первые две недели наблюдения проводились ежесуточно, а в дальнейшем периодичность была увеличена до 2-3 сут. В ходе опыта с периодичностью 10-15 сут отмечалось небольшое снижение давления (примерно на 0.02-0.03 МПа). Для поддержания постоянной нагрузки давление в гидросистеме регулярно повышалось до принятой в эксперименте величины 3.14 МПа.
Контрольная трещина была выбрана на торцевой грани блока в момент ее образования при начальном нагружении модели. В дальнейшем измерялась длина трещины L и определялась средняя скорость Vувеличения ее длины, начиная с момента зарождения. Вид контрольной трещины на заключительной стадии эксперимента представлен на рис. 2.
В таблице 1 приведены параметры контрольной трещины за 98 суток наблюдений с периодичностью 7 дней. В графе Ї указано время в сутках, начиная с первого дня наблюдений за ростом трещины, в графе L приведена ее длина от основания нижнего блока до точки роста для соответствующего момента времени; в графе
V определена средняя скорость роста контрольной трещины по формуле Vi = А/^, где і — порядковый номер наблюдений; в графе ЛЬ вычислено приращение длины L на интервале между і-ьіми и (і - 1)-ыми измерениями, в графе Л V дана скорость роста трещины на том же интервале (ЛУ{ =ЛЦ/ Лїі).
На рис. 3 представлены скоростные характеристики
V и ЛV. На рис. 3, а проведена прямая, параллельная оси времени и соответствующая средней скорости
V = 23.1 • 10-6 мм/с за период наблюдений 98 сут. Как видно из рис. 3, скорость роста трещины во время наблюдений изменялась неравномерно. Примечательно, что в процессе испытаний модельной структуры отмечались локальные разрушения по блокам модели в виде образования новых трещин, шелушения, увеличения длины и расхождения берегов ранее образовавшихся трещин, а также появления сколов. Периодически отмечались щелчки и потрескивания. По ходу опыта на-
Таблица 1
Параметры роста контрольной трещины
Номера измерений Ї, сут Ь, мм V, 10 6 мм/с ЛL, мм ЛV, 10 6 мм/с
1 0 0 0 0 0
2 7 5 8.3 5 8.3
3 14 24 19.8 19 31.4
4 21 38 20.9 14 23.1
5 28 66 27.3 28 46.3
6 35 88 29.1 22 36.4
7 42 95 26.2 7 11.6
8 49 115 27.2 20 33.1
9 56 142 29.3 27 44.6
10 63 160 29.4 18 29.8
11 70 171 28.3 11 18.1
12 77 185 27.8 14 23.1
13 84 191 26.3 6 9.9
14 91 195 24.8 4 6.6
15 98 196 23.1 5 8.3
V, 10 6 мм/с а ЛЧ 10 6 мм/с \б\
Рис. 3. Графики изменения средней (а) и поинтервальной (б) скорости роста контрольной трещины (Рс = 3.14 МПа)
блюдалось как увеличение, так и снижение акустической активности.
В процессе опыта возникали также новые трещины и сколы с образованием блоков меньших размеров. Наиболее интенсивное появление и увеличение размеров трещин зафиксировано для блока, находящегося в основании структуры (блок 10 на рис. 1). Для блоков, расположенных выше (9, 8 и 7), плотность образования новых и увеличение длины существующих трещин снижались по мере удаления от блока 10, однако общим является образование трещин на всех гранях блоков. Для блоков с 6 по 1 отмечено образование единичных трещин лишь на боковых гранях.
Через 98 суток при очередной стабилизации нагрузки (давление в гидросистеме понизилось до 3.1 МПа) на уровне, принятом в эксперименте, процесс разрушения трех нижних блоков структуры принял лавинообразный характер, сопровождающийся существенным расхождением берегов трещин, появлением отслоений, повышением интенсивности разрушений по глубине блоков и образованием новых сколов, которые, отделяясь от основного блока, смещались перпендикулярно направлению действия силы сжатия. Следствием этого явился резкий спад давления в гидросистеме до 1.5 МПа.
Дальнейшие попытки стабилизировать нагрузку приводили к усилению разрушений и осадке вышележащих блоков, причем разрушения происходили лишь в трех нижних наиболее поврежденных блоках, а состояние вышележащих практически не изменялось. Давление в гидросистеме продолжало снижаться до 1 МПа и меньше. Общая картина разрушений блоков по каждой грани модели представлена на рис. 4 (пропорции трещин и сколов выдержаны в масштабе) и рис. 5.
Отличительной особенностью наблюдаемой картины является ярко выраженное блочное разрушение исходных структурных элементов модели и потеря устойчивости вновь образующимися блоками (подблоками).
Здесь условно можно выделить: зону сплошного разрушения (блок 10) с внешне беспорядочным отделением подблоков и опусканием вышележащих блоков (9, 8), зону трещиноватых нарушений (7, 2, 1) и зону сжатия с изгибом и образованием отдельных трещин на боковых гранях (6-3).
Наиболее вероятной причиной образования трещин, полагаем, являются контактные неоднородности материала модельных блоков, которые в результате деформирования (места неплотного контакта) под действием силы сжатия становятся инициаторами расслоения. Из-за неравномерного контакта по поверхностям взаимодействия отдельные участки смежных блоков при сжатии работают на изгиб, что приводит к зарождению трещин и сколов при напряжениях Рс, меньших предела прочности а с составных элементов модели (кирпичей) на одноосное сжатие.
Процесс сдвижения развивается преимущественно в форме перемещения структурных элементов. Смещения происходят в направлении свободных поверхностей (боковых граней) блоков модельной структуры. Особенность смещений заключается в первоначальном разделении модельного блока на подблоки (сколы и отслоения как по боковым граням, так и внутри блока), последующем отделении подблоков со смещением в сторону свободных граней и дальнейшем разрушении отделившихся подблоков.
Трещины, по которым в блоках происходит излом, лежат в основном либо в вертикальных плоскостях, либо в плоскостях, имеющих незначительный наклон в сторону свободных боковых граней. Углы наклона относительно вертикальной оси варьируют от 0° (плоскости трещин ориентированы практически вдоль направления действия силы сжатия) до 15-20°. Для отдельных трещин, образовавшихся на боковых гранях (блоки 1, 2, 5), углы наклона достигают 60°. Образование трещин и сколов под углом к оси действия силы сжатия обуславливает механизм поперечного смещения подблоков.
Haчaлo рис. 4
Отслоение пластин и сколы внутри блока до 1/4А, дробление по всей глубине блока
разрушения
с отслоением и выпадением подблоков размером до 1/2А блока
Грань IV
5 = 0.5-5 мм
Выход скола за границу блока
Зона сплошного отслоения и отделения пластин, выпадение обломков, выкрашивание
Рис. 4. Геометрические характеристики систем трещин, возникших на стадии разрушения блочной модели, зафиксированные визуально по граням I, II (а) и III, IV (б)
Рис. 5. Разрушение блоков модели по граням: I (а), II и III (б), III и IV (в)
Модельный эксперимент показал (и это принципиально), что блоковая структура при отсутствии бокового сжатия может быть разрушена под действием сжимающего напряжения Рс = а{ для исследуемой породы, что ниже предела прочности на одноосное сжатие модельного геоматериала (а с) примерно в 6-10 раз.
3. Сравнение результатов модельного эксперимента и натурных наблюдений в условиях рудников «Октябрьский» и «Таймырский»
С отмеченных выше позиций представляется важным сравнение особенностей деформирования и разрушения горных пород, наблюдаемых в подземных ус-
ловиях рудника «Октябрьский». В табл. 2 приведены скорости сдвижения налегающих толщ горных пород в шахтных полях рудников «Октябрьский» и «Таймырский» (пункты 1-3) [10, 15], а также скорости роста длины трещины и расхождения ее берегов у основания в условиях проведенного стендового эксперимента (пункт 4).
Основной характерной особенностью полиметаллических месторождений Талнахского рудного узла является ярко выраженное блочное строение массива горных пород. По данным [15], налегающие толщи горных пород сложены в основном габбро-долеритами (плотностью ~ 2.76 • 103 кг/м3) в кровле и метаморфизиро-ванными породами на контактах с рудоосадочными —
Таблица 2
Характеристики деформаций горных пород
№№ п.п. Наименование Скорость, мм/с Примечание
1 Скорость деформации массива пород по [15] в период минимальной активизации оседания пород ~(0.3 + 0.6) • 10 -6 (1.5+2) уЯ = (1.5+2) • 22.1 МПа при у = 2.76 • 104 МПа/м, Я = 800 м [10, 15]
2 Образование сколов за 3 года при длине трещины в среднем 2.5-3.5 м (с расхождением берегов трещин от 0 до 500 мм) ~ (26.4 + 37) • 10-6 Норильское месторождение
3 Инструментальные измерения скорости деформаций в массиве РМ-1 приборным комплексом МОЭД-1п ~ 1.16 • 10-6 По данным эксперимента [17]; габбро-долериты, роговик
4 Образование трещины длиной до 196 мм (при сжатии модели из 10 блоков за 98 сут с расхождением берегов до 12 мм у основания трещины) ~ 23.1 • 10-6 (скорость расхождения берегов у трещины ~1.4 -10-6) Рс = 3.14 МПа, лабораторный эксперимент
в почве. Сульфидные руды представлены халькопирит-пирротиновыми разностями. Прочность руд на одноосное сжатие изменяется в пределах от 30 до 100 МПа в зависимости от структуры и минерального состава. Соответственно изменяются упругие свойства, что создает условия для локальных концентраций напряжений при нагружении пород (плотность ~ (4.95 - 5.1) -103 кг/м3). Прочностные характеристики вмещающих пород существенно выше, чем у рудного тела.
По представлениям [11] о деформировании и перераспределении напряжений в подрабатываемом массиве, основанным на натурных наблюдениях, сдвижение начинается с разделения толщи пород на слои и последующего их изгиба подобно балкам или плитам, защемленным по контуру. Породы кровли претерпевают последовательно три стадии предельных состояний, в результате которых: а) толщи пород превращаются из квазисплошной среды в дискретную, представленную пакетами слоев, потерявших связанность на контактах, или блоков различных размеров; б) происходит разрушение пакетов слоев на блоки; в) системы блоков теряют устойчивость. В некоторых случаях разрушение слоев пород происходит от изгиба, в результате которого образуются блоки, вытянутые по напластованию и под углом к нему (сколы). Образующиеся блоки в этом случае вытянуты по нормали к напластованию. Общие представления о геомеханических процессах взаимодействия породных, рудных и закладочных массивов при отработке пластовых залежей с позиций явления зональной дезинтеграции массивов горных пород для Талнахско-Октябрьского месторождения полиметаллов представлены в [7].
Для указанных условий в п. 1 табл. 2 приведено значение минимальной скорости деформации породы [10, 11] по данным станций глубинных и контурных реперов при увеличении пролета отработки в период затухания сдвижения налегающих толщ (минимальной активности оседания пород). Полагая, что процессы распространения деформаций и разрушений в блочных геосредах при определенных условиях аналогичны процессам, происходящим при сжатии структуры блоков в модельном эксперименте, можно заключить, что деформации и разрушения породы при отработке рудного тела могут происходить не только под действием литостатических давлений уЯ, но и под действием напряжений, вызывающих изгиб.
Сравнение со скоростью расхождения берегов трещины в модельном эксперименте (п. 4 табл. 1) показывает близость порядков рассматриваемых величин (отличие примерно в 2-4.5 раза; и это при условии, что прочность руд и модельных блоков на одноосное сжатие отличается примерно в таких же пропорциях). Следовательно, логично предположить, что разрушение пород, наблюдаемое в подземных условиях, может проис-
ходить при существенно меньших напряжениях, чем принято в [15].
На руднике «Октябрьский» основные мероприятия по снятию напряжений в массиве заключаются в бурении горизонтальных разгрузочных скважин и закладке выработанного пространства. Перераспределение нагрузки создает условия для постепенного обеспечения устойчивого контакта кровли с закладочным массивом
и, как следствие, приводит к снятию опасных концентраций напряжений. Механизм разгрузки предполагает посадку кровли на закладочный массив, но существует и другая возможность — это подъем закладочного массива в результате подпора (подъема почвы) со стороны нижележащих пород выработанного пространства (поршневой эффект) [7].
В этих условиях при достижении напряжениями предела прочности происходит процесс трещинообразова-ния, проявляющийся в виде сейсмической активности (наблюдается на модели). Признаки повышенных напряжений фиксируются в виде шелушения и образования сколов на контуре выработок в рудном и породном массиве. Оценка действующих напряжений в зоне опорного давления методом дискования керна дает величину (1.5 + 2)уН [15], где у — удельный вес горных пород, Я — глубина залегания.
По-видимому, причиной образования трещин могут явиться и структурные неоднородности в горных породах, которые в результате деформирования в местах неплотного контакта геоблоков под действием силы сжатия становятся инициаторами расслоения, как это и следует из данных лабораторного эксперимента. Процесс сдвижения массивов при их слоистом строении развивается преимущественно в форме перемещения структурных блоков. Развитие смещений горных пород происходит в направлении формирующейся полости (по результатам определения смещений методом глубинных реперов), с первоначальным отделением от массива пачки горных пород и последующим их разрушением внутри отделившейся пачки.
Обрушение подработанных пород наблюдается в пределах так называемого свода обрушения. Трещины, по которым в слоях происходит излом пород, лежат в плоскостях, наклоненных в сторону выработанного пространства. Эти плоскости образуют с плоскостями напластования углы, называемые углами обрушения пород. Независимо от угла падения пласта (в пределах от 0 до 75°) углы обрушения имеют практически постоянное значение (65-75°) и ориентированы не по отношению к горизонту, а относительно плоскостей напластования пород.
Обычно несвязное движение отдельных кусков и геоблоков в этой зоне может и не происходить, если отработка залежи ведется с полной закладкой или стрела прогиба пород кровли больше мощности пласта, что обус-
ловливает плавное опускание кровли без разрыва ее сплошности. При этом в целиках образуются трещины и заколы вертикально-наклонной ориентации, постепенно увеличивающиеся в размерах под действием горного давления. Трещины имеют, как правило, сложное геометрическое строение, но в первом приближении могут быть оценены протяженность (длина) и расхождение берегов у основания. С учетом этих моментов были рассмотрены отслоения пород в одном из закладочных штреков рудника «Октябрьский» на глубине 800 м.
Вдоль целиков по длине выработки из-за действия горного давления появляются системы трещин вертикально-наклонной ориентации, происходит отслоение бортов и образование заколов. При этом расхождение берегов трещин в ряде случаев достигает 500 мм и более, а протяженность (технически доступная для измерений) составляет от 2.5 до 3.5 м. Углы наклона варьируют от 0 до 25-30° к вертикали. Отслоение и образование заколов в месте наблюдения продолжалось около трех лет. Для указанных условий определена скорость роста длины трещины, значение которой приведено в п. 2 таблицы 2.
Сравнение со скоростью расхождения берегов трещины в модельном эксперименте (п. 4, табл. 1) показывает, что порядок величин в данном случае практически совпадает, т.е. и в этом случае, по-видимому, можно говорить о подобии процессов. Уместно предположить, что отслоение пород, наблюдаемое в подземных условиях по бортам выработок, происходит при меньшем напряжении, нежели то, которое определяется из отношения прочности образцов горных пород на одноосное сжатие и литостатического давления уЯ.
В п. 3 таблицы 2 приведен результат определения скорости относительного смещения геоблоков, вычисленной на основе данных измерения внутри массива вмещающих пород рудника «Октябрьский» при помощи прибора МОЭД-1п [18]. Эти породы представлены роговиками (по механическим свойствам практически близки к роговикам карьера «Борок» г. Новосибирск
[19]).
В заключение приведем любопытный результат, получаемый на основе сравнения рис. 3, а с графиком изменения скорости смещения контура штрека в гипер-бозитовых породах (прочность 10-12 МПа) шахты «Молодежная» Донского горно-обогатительного комбината на горизонте 55 м (напряжения в массиве ~ 12-18 МПа), приведенным в [20]. Здесь скорость радиальных смещений контура выработки в течение 9 месяцев возрастала от 0 до ~ 2 • 10-8 м/с, стабилизируясь на этапе разрушения окрестных пород с последующим уменьшением до уровня ~ 1.3 • 10-8 м/с. По существу ту же закономерность поведения средней скорости роста контрольной трещины можно видеть на примере лабораторного эксперимента (рис. 3, а): возрастание Vот 0 до ~ 2.9 -10-8 м/с с некоторой «стабилизацией» во
времени и последующим уменьшением до уровня ~ 2.3 -10-8 м/с.
Приводя этот пример, авторы обращают внимание на следующую особенность. Несмотря на то, что ас для модельного геоматериала (19.6 МПа), для норильских пород (30-100 МПа) и для гипербозитов Донецкого горно-обогатительного комбината (10-12 МПа) существенно разнятся по своим значениям и уровню испытываемых напряжений, тем не менее процессы разрушения в сравниваемых случаях характеризуются средними скоростными характеристиками одного порядка (~ 10-8 м/с). Это может свидетельствовать, с одной стороны, о большой роли трещин отрыва в процессах разрушения окрестных к выработкам горных пород, которые способны инициироваться нагрузками существенно меньше ас образцов соответствующих геоматериалов, а с другой стороны, о характере воспринимаемых окрестностями выработок нагрузок во времени, о которых можно судить на основании структуры графиков скоростей смещения контуров выработок [21].
Следует также подчеркнуть значимость оценок скоростей развития трещин отрыва в массивах горных пород при эксплуатации продуктивных пластов нефтегазовых месторождений. Такая возможность ранее отмечалась в [8] с позиций явления зональной дезинтеграции горных пород, а в [22] предложен соответствующий механизм формирования остаточных нефтенасыщенных зон в терригенных коллекторах, позволяющий прогнозировать в виброволновых технологиях возможность повышения нефтеотдачи пласта из целиковых зон за счет уменьшения раскрытия систем горизонтальных трещин и увеличения раскрытия вертикальных трещин или возникновения новых систем вертикальных трещин в результате образования зоны декомпрессии углеводородов при их добыче.
Существенный интерес представляют полученные результаты физического моделирования и с позиций оценки прогнозных параметров фокального механизма индуцированной сейсмичности в пределах шахт и рудников [23]. Возможность длительного во времени формирования трещин отрыва вокруг подземных выработок и очистных пространств [7] со средними или дифференцированными скоростными характеристиками по типу представленных на рис. 3 дает априорную информацию для построения соответствующих сканирующих функций по всему массиву данных о сейсмособытиях отрабатываемого шахтного поля или окрестностей отдельных очистных забоев, например по типу [24].
4. Выводы
Физическое моделирование поведения «одномерной» блочной среды в условиях длительного (несколько месяцев) одноосного нагружения фиксированного уровня показало:
- блоковые геоструктуры при слабом боковом подпоре могут разрушаться под действием вертикальных напряжений, на порядок меньших предела прочности соответствующих образцов горных пород на одноосное сжатие ас;
- преобладающее направление возникающих систем трещин отвечает направлению действия силы сжатия;
- при вертикальных напряжениях, равных пределу прочности образцов геоматериалов на изгиб а;, средняя скорость прорастания трещин отрыва в блочном массиве может быть оценена величинами порядка 10-8 м/с.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты №№00-05-65307, 01-05-65062, 01-05-65463), СО РАН (проект N° 77) на экспериментальной базе Центра коллективного пользования по исследованию свойств материалов и горных пород (грант РФФИ № 00-0572043).
Литература
1. Шемякин Е.И., Курленя М.В., Опарин В.Н., Рева В.Н., Глуши-хин Ф.П., Розенбаум М.А. Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок / Открытие СССР № 400. - Опубл. в БИ. - 1992. - № 1.
2. Шемякин Е.И., Курленя М.В., Опарин В.Н. и др. Эффект зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок // Докл. АН СССР. - 1986. - Т. 289. - № 5. - С. 1088-1094.
3. Введение в механику скальных пород / Под ред. X. Бока. - М.: Мир, 1983. - 276 с.
4. Одинцев В.Н. Отрывные разрушения массива скальных горных пород. - М.: ИПКОН РАН, 1996. - 270 с.
5. ГузевМ.А., ПарошинА.А. Неевклидова модель зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземной выработки // ПМТФ. -
2001. - № 1. - С. 147-156.
6. ЧанышевА.И. К проблеме разрушения деформируемых сред // ФТПРПИ. - Ч. I. - 2001. - № 3. - С. 53-67; Ч. II. - 2001. - № 4. -С. 57-66.
7. КурленяМ.В., ОпаринВ.Н., ТапсиевА.П., АршавскийВ.В. Геоме-ханические процессы взаимодействия породных и закладочных массивов при отработке пластовых рудных залежей. - Новосибирск: Наука, 1997. - 176 с.
8. Курленя М.В., Опарин В.Н. Проблемы нелинейной геомеханики // ФТПРПИ. - Ч. I. - 1999. - № 3. - С. 12-26; Ч. II. - 2000. - № 4. -С. 3-26.
9. Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. - СПб: Наука, 2001. - 344 с.
10. БадтиевБ.П., ТапсиевА.П., БабкинВ.А., НаговицынЮ.Н., Само-родов Б.Н. Геомеханическая ситуация при отработке разделительного массива РМ-2 // Горн. журн. - 2001. - № 4. - С. 22-25.
11. ТапсиевА.П. Геомеханические основы технологии разработки мощных пологих залежей полиметаллических руд системами с твердеющей закладкой выработанного пространства. - Дис. ... докт. техн. наук. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2000. - 418 с.
12. Журков С.Н., Куксенко В.С., Петров В.А. и др. О прогнозировании разрушения горных пород // Изв. АН СССР. Физика Земли. -1977.- № 6. - С. 11-18.
13. ГОСТ 379-79. Кирпич и камни силикатные. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1992. - 11 с.
14. КурленяМ.В., ОпаринВ.Н., БобровГ.Ф., АкининА.А., Востриков В.И., Юшкин В.Ф. О расклинивающем эффекте зон опорного давления // ФТПРПИ. - 1995. - № 4. - С. 3-11.
15. ХоличевЕ.А. Особенности геомеханической обстановки на руднике «Таймырский» // Горн. журн. - 2001. - № 4. - С. 20-22.
16. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях (объектах строительства подземных сооружений), склонных к горным ударам. - Л.: ВНИМИ, 1989. - 60 с.
17. Опарин В.Н., АкининА.А., Востриков В.И., Юшкин В.Ф., АршавскийВ.В., ТапсиевА.П., СамородовБ.Н. О деформационных процессах, индуцированных технологическими взрывами // Труды межд. конф. «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», Новосибирск, 2^ октября 2001 г. - Новосибирск: Изд-во СО РАН,
2002. - С. 66-74.
18. Курленя М.В., Опарин В.Н., Акинин А.А., Сиденко Г.Г., Юшкин В.Ф. Многоканальный оптоэлектронный деформометр продольного типа // ФТПРПИ. - 1997. - № 3. - С. 105-119.
19. ОпаринВ.Н., ЮшкинВ.Ф., АкининА.А., ТапсиевА.П., Аршавский В.В. Экспериментальные испытания многоканального оптоэлектронного деформометра продольного типа // ФТПРПИ. -2000.- № 6. - С. 107-123.
20. Усков В.А. Динамика саморазрушения горных пород вокруг подземных выработок хромитовых рудников Казахстана // Труды межд. конф. «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», Новосибирск, 4-7 октября 1999 г. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. - С. 398^01.
21. РеваВ.Н., МельниковО.И., РайскийВ.В. Поддержание горных выработок. - М.: Недра, 1995. - 272 с.
22. СимоновБ.Ф., ОпаринВ.Н. К механизму формирования остаточных нефтенасыщенных зон в терригенных коллекторах и вовлечение их в разработку с помощью вибровоздействия // Наука и технология углеводородов. - 2001. - № 5. - С. 36-41.
23. Gibowicz S.I., Kijko A. An introduction to mining seismology. - San Diego: Academic Press, 1994. - 360 p.
24. Курленя М.В., Опарин В.Н., Еременко А.А. Об одном методе сканирования шахтной сейсмологической информации // Докл. РАН. - 1993. - Т. 333. - № 6. - С. 784-787.
