CC BY
41
Влияние виброимпульсных воздействий на активность смещений в трещинах горного массива
В.В. Ружич, С.Г. Псахье1, Е.Н. Черных,
О.В. Федеряев2, А.В. Димаки1, Д.С. Тирских
Институт земной коры СО РАН, Иркутск, 664033, Россия 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 2 Удачнинский ГОК (ЗАО АК «Алроса»), Удачный, 678188, Россия
В работе рассмотрены результаты измерения микросмещений в трещинах, инициированных виброимпульсными воздействиями при проведении массовых взрывов в сверхглубоком карьере трубки «Удачная» (Республика Саха). Для измерений использовался разработанный ранее аппаратный комплекс Сдвиг, а также сейсмические станции Байкал-12. Акцент в анализе результатов исследований авторами сделан на рассмотрении фазы замедленного отклика трещин, который, как правило, остается незамеченным при других способах регистрации смещений. Один из основных сделанных выводов указывает на то, что замедленная фаза отклика трещин отражает проявление медленных колебательных деформаций горного массива, которые, возможно, и есть проявления одного из механизмов широко обсуждаемого эффекта «медленных волн».
Effect of vibropulse action on the intensity of displacements in rock cracks
V.V. Ruzhich, S.G. Psakhie1, E.N. Chernykh, O.V. Federyaev2, A.V. Dimaki1, and D.S. Tirskikh
Institute of the Earth’s Crust SB RAS, Irkutsk, 664033, Russia 1 Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 2 Ore Mining and Processing Enterprise Udachninskii (Alrosa Co. Ltd.), Udachny, 678188, Russia
The paper considers the measurement results for microdisplacements in cracks initiated by vibropulse actions during single blasts in a superdeep open-pit mine of the tube Udachnaya (Republic of Sakha). The measurements were performed with the use of the measuring complex Sdvig and seismic stations Baikal-12. Emphasis in the analysis of the investigation findings is put on studying the phase of delayed crack response that usually remains unnoticed in other methods of displacement recording. One of the main conclusions drawn indicates that the phase of delayed crack response reflects the manifestation of slow oscillatory deformations of rock. The deformations are probably the manifestations of a mechanism of the widely discussed effect of “slow waves”.
1. Введение
Любой скальный массив имеет собственное напряженно-деформированное состояние: он разбит трещинами различного масштаба, направленности по отношению к приходу возмущения, а также различного внутреннего устройства и заполнения полостей. При внешнем динамическом воздействии на массив и на трещины, например при землетрясениях или взрывах, когда в них закачивается дополнительная энергия, начинается запуск деструктивных и деформационных процессов, малоизученные последствия которых имеют важное теоретическое и практическое значение. Одна из глав-
ных задач, рассматриваемых в ходе проведенного исследования, связана с выявлением эффектов и механизмов взаимодействия сейсмических колебаний с трещинами в горном массиве, при которых инициируются различные режимы микросмещений их берегов. Несомненно, что решение такой задачи представляет очень серьезную проблему в механике и мезомеханике, о чем свидетельствуют многочисленные работы, в частности [1-3]. В нижеследующих работах рассматриваются результаты многолетнего изучения виброимпульсных (взрывных) воздействий на разрывные нарушения горного массива в сверхглубоком (глубина более 500 м) карьере «Удач-
© Ружич В.В., Псахье С.Г., Черных Е.Н., Федеряев О.В., Димаки А.В., Тирских Д.С., 2007
ный» на территории Республики Саха [4-7]. Отличительной особенностью при проведении работ было применение нового измерительного аппаратного устройства, что позволило получить нетривиальные сведения о режимах смещений берегов разрывных нарушений и таким способом расширить имеющиеся представления об эффектах динамической инициации самих трещин, поведение которых, в конечном счете, определяет поведение всего массива горных пород.
2. Методика проведения измерений
Измерительное устройство Сдвиг было сконструировано в Институте земной коры СО РАН (Иркутск) в 1994 г. для высокоточного мониторинга микросмещений в трещинах и фрагментах зон тектонических разломов. В последующие годы устройство Сдвиг (и его модификации Сдвиг-2, Сдвиг-2М и Сдвиг-3) успешно использовали при изучении режима смещений в разломах на территории Сибири и Монголии, а с 2001 г. — в карьере трубки «Удачная». В 2004 г. сотрудником Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) А.В. Димаки была разработана и изготовлена наиболее совершенная модель устройства — Сдвиг-ЗМ, которая и использовалась в последующие годы (рис. 1).
Круглогодичные измерения смещений в трещинах осуществлялись путем установки высокоточных датчиков силы или датчиков перемещений авторской конструкции, а позднее — сертифицированных датчиков различного производства, включая известные зарубежные фирмы Scaime и Honeywell. Выбор трещин и пунктов установки измерительного устройства определялся с учетом удаления от места взрывов размеров и генезиса трещин, их ориентации. Параллельно с деформомет-рическими измерениями проводилось изучение сейсмологических характеристик взрывов с использованием двух сейсмостанций Байкал-12. Одна из задач сейсмологических измерений связана с оценкой тех параметров взрывов, по которым можно было бы судить об
эффективности их воздействий на режим инициированных смещений в трещинах горного массива.
3. Действие массовых взрывов на режим смещений в трещинах
Измерения для определения сейсмического воздействия массовых взрывов в карьере трубки «Удачная» проводились в трех пунктах наблюдения, обозначенных на рис. 2.
На рис. 3 приведена запись инициированных смещений по двум соседним разнонаправленным трещинам бортового откоса при взрыве 10.09.2004 г. На верхней записи (датчик 1) можно видеть, что при раскрытии трещины блок горной породы сместился вниз по склону на 6 мкм в ответ на сейсмические колебания от массового взрыва в районе западного участка, при удалении порядка 1.2 км. В данном случае слабое сейсмическое воздействие проявилось как спусковой эффект.
Нижняя запись (датчик 2) показала, что отклик соседней трещины, находящейся в более устойчивом состоянии, на воздействие проявился иным образом. Сам момент взрыва и остаточные смещения были практически незаметными, зато после него включился механизм медленного сжатия трещины, который действовал в течение одного часа, а затем сменился плавным обратным смещением, т.е. раскрытием трещины. Таким образом, на данном примере можно сделать вывод о том, что отклик трещин на внешние динамические воздействия был обусловлен не только параметрами этого воздействия, но также и параметрами их собственного геодинамического состояния, т.е. степенью устойчивости.
Обратимся еще к одному примеру изучения воздействий на горный массив и трещины при более близких массовых взрывах. На рис. 4 показана запись, полученная от двух датчиков, установленных в двух крупных открытых трещинах субширотного направления. На записи видно, что мгновенный отклик на взрыв 1 (удале-
Рис. 1. Общий вид измерительного комплекса последней модификации Сдвиг-ЗМ, состоящего из регистратора, аккумулятора и защитного контейнера (й); вид датчиков Ш, установленных в полости тектонической трещины для регистрации вертикальных и горизонтальных перемещений ее стенок (б)
№ 2
0 200 400 600 м
О - Площадь проведения взрывных работ □ - Регистраторы А - Сейсмостанция
Рис. 2. Схема расположения трех пунктов регистрации смещений и взрывов, проводимых в пределах контура карьера. Буквенные обозначения: 3 — западный участок; В — восточный участок; М — промежуточный участок. Соединительными линиями отмечены усредненные расстояния между пунктами взрывов и регистраторами
ние 350.. .450 м) был малозаметным (амплитуда растяжения 2.. .3 мкм). Однако существенно более заметной была последующая реакция в виде последействия, которое можно рассматривать как релаксационный отклик, обусловленный вязкопластическими деформациями в горном массиве. Релаксационный отклик, если судить по общей амплитуде ускоренных смещений в трещинах, достигал значений порядка 120 мкм при общей длительности инициированных смещений более 4 сут. На пятые
сутки по обеим трещинам зафиксированы быстрые обратные подвижки сжатия, причем с разными амплитудами. По трещине с датчиком 2-1 обратная подвижка достигла 95 мкм, что привело к почти полному восстановлению исходного состояния, в отличие от другой трещины. Очередной взрыв 15 июня, произведенный в пункте с другой стороны от трещин и при более близком расположении (150.. .250 м), произвел иной эффект воздействия. По указанным трещинам произошли быстрые смещения, но наибольшая амплитуда была зарегистрирована датчиком 2-3 и составила 85 мкм.
Таким образом, отклик даже двух соседних, внешне похожих трещин отрыва на виброимпульсные воздействия был неодинаковым, что объясняется, по-видимому, их различным геодинамическим состоянием в массиве. Наблюденные эффекты являются типичными не только для данного карьера, они наблюдались нами повсеместно. Это дает основание считать, что в горном массиве существование совокупностей подобных трещин и индивидуальности их откликов является закономерным. Отсюда следует вывод: отклик на динамическое воздействие в межблочных границах сравнительно однородного горного массива (при равной силе воздействия на различные его участки) в значительной мере зависит от физико-механического состояния и структурных особенностей конкретных трещин, характеризующих степень их динамической устойчивости. Вывод подтверж-
Рис. 3. Запись смещений (регистратор № 0) по двум соседним трещинам в ответ на удаленное взрывное воздействие, произведенное в пункте 3. Видны существенные различия в реакции этих трещин на волновые колебания от взрыва. Другие пояснения в тексте
558
10.06 11.06 11.06 12.06 12.06 13.06 13.06 14.06 14.06 15.06 15.06 16.06 16.06
12.00 00.00 12.00 00.00 12.00 00.00 12.00 00.00 12.00 00.00 12.00 00.00 12.00
2005
Рис. 4. Эпизоды микросмещений по двум крупным трещинам отрыва, инициированные массовыми взрывами 10 и 15 июня 2005 г. и
зафиксированные двумя датчиками регистратора № 2. Можно видеть длительное проявление реакции раскрытия трещин на близкий взрыв и
то, что смещения в них не совсем идентичны
дается также и тем, что реакция трещин в разных пунктах карьера на один и тот же взрыв была индивидуально различимой по амплитуде, скорости и длительности инициированных смещений, особенно в фазе замедленного отклика.
В качестве подтверждения сказанного выше приведем еще примеры. Во время длительного зимнего периода скальный массив в карьере промерзает до глубин 9... 10 м от дневной поверхности, и это кардинально меняет физико-механические параметры состояния горных пород в трещинах и разломах. Вместо водных растворов в полости трещин образуется лед, существенно меняется сцепление берегов трещин и в их вершинах. Как следствие этого меняется и отклик на взрывы — практически исчезает вторая фаза замедленного последействия. При достаточно сильных виброимпульсных воздействиях на горный массив, консолидированный промерзанием, отклик проявляется в виде сравнительно быстрых остаточных смещений с амплитудами до нескольких десятков мкм. В 2005 г. при работах на льду Байкала с целью моделирования сейсмотектонических процессов было установлено [8], что обводненные ледовые трещины и сухие, промороженные, по-разному реагируют на взрывные воздействия. Инициированные небольшими взрывами или ударами копра смещения в обводненных трещинах происходили с замедленной скоростью, но в течение десятков-сотен минут, т.е. в режиме длительного отклика и с остаточными деформа-
циями. Сухие, промороженные трещины реагировали на взрыв мгновенными быстрыми смещениями. Как видим, трещины в ледовых пластинах имеют сходные записи отклика на динамические воздействия с трещинами в горных массивах. Эти наблюдения позволяют сделать вывод о том, что характер отклика трещин на динамические воздействия в разных средах во многом обусловлен физико-механическим состоянием вещества в полости трещин и на их концевых участках. Особенно такое состояние влияет на фазу замедленного отклика, когда реакция трещин проявляется в замедленном темпе, но длительно.
Таким образом, эффекты замедления отклика и малой скорости деформаций в горном массиве тесно связаны с физико-механическим состоянием раздробленных горных пород, заполняющих полости тектонических трещин и разломов. Хорошо известно, что смещения в тектонических нарушениях сопровождаются проявлением гидротермально-метасоматических процессов и возникновением в них новых минеральных ассоциаций, таких как эпидот, кальцит, тальк, хлорит, глинка трения и др., играющих роль «тектонической смазки» и влияющих на характер смещений, способствуя переходу к более плавному смещению берегов вместо прерывистого и скачкообразного. Причины проявления механизма замедленного раскрытия трещин на десятки-сотни микрометров в течение часов и даже суток и затем столь же длительного обратного движения можно объяснить
Таблица 1
Соотношения параметров R и и
Q, кг R, м и = 11.6 р104 см/с и = 117 р15 см/с
1 2 3 4
5 000 200 0.9 2.9
500 0.35 0.74
1 000 0.17 0.26
тем, что сходный процесс замедления отклика происходит во всем ансамбле трещин в пределах горного массива. Соответственно в замедленном режиме горный массив или геологическая среда реагируют проявлением замедленных деформаций на инициирующее волновое воздействие взрывов или землетрясений. Наверное, можно в общих чертах рассматривать механизм проявления подобного эффекта и как проявление «медленных волн». В таком случае механизм проявления «медленных волн», инициированных динамическими воздействиями различной природы, связан с регистрируемыми явлениями замедленных и длительных инициированных смещений в межблочных разрывных нарушениях различного иерархического уровня.
4. Сейсмологические измерения воздействий
В расчетах при количественных оценках эффектов взрывных воздействий использовались данные, полученные при проводимых параллельно сейсмологических наблюдениях. Оценка скорости сейсмических колебаний в горном массиве и физико-механических характеристик грунтов в карьере трубки «Удачная» дает следующие значения: СР = 1 500...3 430 м/с, С$= 1 000...1 860 м/с. Для объективных оценок сейсмических эффектов взрывных воздействий на горный массив и режим смещений в трещинах использовалось известное уравнение вида [9-11]: а = ± рис,
где а — добавочные напряжения, вызванные воздействием сейсмических волн; р — плотность горных пород (кг/м3); и — колебательная скорость (виброскорость, см/с); с — скорость распространения в горном массиве сейсмических волн от взрывов (м/с).
Как известно, в каждом конкретном месте и при каждом взрыве зависимость скорости и от приведенного веса Q (приведенного расстояния Rp) характеризуется определенной величиной показателя степени п. Показатель степени приведенного веса заряда при р = = 0.01.0.1 обычно равен 1.5. Рекомендуется показатель степени брать равным 1.5 и для каждого взрыва определять коэффициент пропорциональности:
К = и^1 р15,
где ре = 3Q|R — приведенный вес заряда взрывчатого вещества.
Исходя из экспериментальных данных оценку значений виброскорости для условий карьера трубки «Удачная» можно представить следующей зависимостью:
иху2 = (127 ± 74)р1'5.
В табл. 1 показана зависимость эффекта воздействия массового взрыва, выраженного через параметр виброскорости, от веса заряда взрывчатого вещества и расстояния: в столбце 3 — по данным карьера «Удачный», в столбце 4 — по собранным данным для карьера «Удачный», но с показателем степени 1.5. Несмотря на некоторые различия оценок разными способами можно получить представления об изменении значений виброскорости при разных удалениях от пунктов взрывов и при одинаковом весе зарядов порядка 5 000 кг
В дальнейшем, по мере накопления данных, еще предстоит найти статистически обоснованную зависимость величины инициированных смещений в трещинах от условий взрывного воздействия на трещины и степени их восприимчивости к вибрациям. Сейчас можно лишь наметить такие ориентиры. В частности, в случае вышеприведенного первого примера реакции трещин на взрыв, произведенный с удалением от них порядка 1 200 м, был получен эффект в виде смещений величиной 6 мкм при значениях виброскорости порядка 0.26 см/с. Во втором случае при близких взрывах (удаление 150.450 м), когда значения виброскорости составляли 0.74 см/с, величина смещений по трещинам достигала 95 мкм. При этом следует учитывать не только мгновенный отклик, но и длительное последействие. Стоит отметить сходство явлений упомянутого последействия с реологическим поведением льда, у которого также отмечается растянутая во времени реакция на воздействие [12]. Можно дополнить приведенные табличные сведения о расчетных значениях виброскоростей следующими данными. При фиксированном максимальном весе заряда взрывчатого вещества 5000 кг на удалениях 96, 80, 67 м, согласно расчетам, будут зафиксированы скорости колебаний, соответственно равные 15, 20 и 26 см/с, что соизмеримо с 6-7-балльными эффектами сейсмических сотрясений по шкале МБК-64. Полученные результаты позволяют, среди прочих, сделать важный вывод о том, что количественные оценки эффектов инициации смещений в трещинах можно делать исходя из значений виброскорости сейсмических колебаний, воздействующих на эти трещины.
5. Обсуждение результатов
При стандартных способах измерений фаза замедленного отклика всей совокупности разномасштабных систем трещин в горном массиве обычно не фиксируется. Однако, если исходить из полученных нами данных по изучению откликов в отдельных трещинах, ее роль зачастую весьма более значительна, чем роль
упругих и наиболее заметных остаточных смещений по трещинам. В частности, это означает, что горный массив после массовых взрывных воздействий находится в возбужденном неустойчивом состоянии в течение нескольких часов и даже суток, особенно если воздействие было очень мощным. Смещения по трещинам в этот период, как показывают наши записи, имеют сложный квазиволновой характер, и лишь через несколько часов или суток происходит восстановление деформационного состояния, но зачастую неполное, т.е. имеют место и невозвратные деформации. Каждое мощное воздействие приводит к остаточным деформациям в трещинах и в горном массиве. Таким образом происходит эволюция его напряженно-деформированного состояния в релаксационном режиме и осуществляется сброс избыточной энергии, полученной при внешних динамических воздействиях. Исходя из особенностей реакций трещин в горном массиве на виброимпульсные воздействия можно заметить, что механизм замедления отклика связан с явлениями замедленного проскальзывания берегов трещин, заполненных более пластичными продуктами переработки горных пород или флюидами. Механизм очень медленного колебания блоков горного массива, насыщенного трещинами, предстоит еще детально изучать. Сами трещины в горном массиве играют роль наиболее чувствительных структурных элементов. Описываемый здесь механизм замедленного распространения из очага возмущения деформаций в трещинах в виде «медленных волн» можно рассматривать с позиций синергетики как проявление самоорганизации в разломно-блоковой иерархически упорядоченной геологической среде при воздействиях на нее крупномасштабных энергетических возмущений.
В заключение следует подчеркнуть, что, имея возможность следить за режимом смещений в трещинах горного массива после взрывных воздействий с использованием измерительного комплекса Сдвиг, можно также контролировать мощность и частоту взрывных воздействий таким образом, чтобы не происходило наложения эффектов последующих взрывов на состояние максимальной неустойчивости массива после предшествующего воздействия. В таком случае воздействие взрывов на устойчивость горного массива будет минимальным. Однако в ряде случаев бывает необходимость добиться максимальной эффективности взрывных воздействий на процессы активизации трещин и снижения устойчивости горного массива или зоны разрывного
нарушения. Это становится возможным в том случае, если осуществлять каждое последующее воздействие на максимуме амплитуды замедленного отклика. Таким образом, использование предложенного способа измерения движений в пределах горного массива и содержащихся в нем разрывных нарушений позволяет управлять процессами деструкции.
Работа выполнена при поддержке междисциплинарного проекта СО РАН № 87, проекта № 16.3 президиума РАН, гранта РФФИ № 06-05-64792-а и проекта № 7.11.1.6 программы 7.11.1 фундаментальных исследований СО РАН.
Литература
1. Зволинский Н.В., Шхинек К.Н. Континуальная модель слоистой упругой среды. - М.: Ин-т проблем механики АН СССР, 1980. -56 с. / Препринт № 165.
2. Зволинский Н.В., Шхинек К.Н. Отражение плоских упругих волн при сверхсейсмическом режиме и альтернативном условии на границе // Изв. АН СССР. Мех. тв. тела. - 1973. - № 1. - С. 43-53.
3. Зволинский Н.В., Шхинек К.Н., Чумиков Н.И. Взаимодействие плоской волны с разрезом в упругой среде // Физика Земли. -1983. - № 4. - С. 36^6.
4. Высокоточный измерительный комплекс «Сдвиг» // Научный и промышленный потенциал Сибири. Инвестиционные проекты, новые технологии разработки. Международный каталог. - Новосибирск: ЗАО «Новосибирский биографический центр», 2004. -С. 90-91.
5. Ружич В.В., Трусков В.А., Черных Е.Н. и др. Современные движе-
ния в зонах разломов Прибайкалья и механизмы их инициирования // Геология и геофизика. - 1999. - Т. 40. - № 3. - С. 360372.
6. Мельников А.И., Алексеев С.В., РужичВ.В. и др. Оценка параметров
техногенной активизации опасных геологических процессов в крупных горных выработках открытого типа (на примере карьера трубки «Удачная») // Отечественная геология. - 2002. - № 4. - С. 20-24.
7. Ружич В.В., Федеряев О.В., Черных Е.Н. и др. Новые способы изучения влияния виброимпульсных воздействий на активность роста трещин в глубоких горных выработках // Современная геодинамика и опасные природные процессы в Центральной Азии. - Иркутск: Институт земной коры СО РАН, 2006. - Вып. 4. -С. 112-121.
8. Псахье С.Г., Ружич В.В., Шилько Е.В. и др. О влиянии состояния границ раздела на характер локальных смещений в разломно-блоковых и интерфейсных средах // Письма в ЖТФ. - 2005. -Т. 31. - Вып.16. - С. 80-87.
9. Мосинец В.Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных
породах. - М.: Недра, 1976. - 271 с.
10. Цейтлин Я.И., Смолий Н.И. Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов. - М.: Недра, 1981. - 192 с.
11. Богацкий В.Ф. Прогноз и ограничение сейсмической опасности промышленных взрывов // Сейсмика промышленных взрывов. -М.: Недра, 1983. - С. 201-213.
12. Дроговейко И.З. Разрушение мерзлых грунтов взрывом. - М.: Недра, 1981. - 245 с.
Поступила в редакцию
11.12.2006 г.
