CC BY
31
АКТУАЛЬНЫЕ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УСТОЙЧИВОСТИ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ И ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В СЕЙСМО-ТЕКТОНИЧЕСКИ АКТИВНЫХ РАЙОНАХ
ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ Меликулов А.Дж.1, Салямова К.Дж.2, Гасанова Н.Ю.3, Умаров Б.Т.4, Мельникова Т.Е.5, Сафаров С.Д.6 Email: Melikulov17143@scientifictext.ru
'Меликулов Абдусаттар Джаббарович — кандидат технических наук, доцент, заместитель генерального директора, ООО «Спецуправление № 75»; 2Салямова Клара Джаббаровна — доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, институт механики и сейсмостойкости сооружений Академия Наук Республики Узбекистан, г. Ташкент;
3Гасанова Надежда Юнисовна — старший преподаватель, кафедра математики; 4Умаров Баходир Тургунович — старший преподаватель, кафедра геотехнологии угольных и пластовых месторождений; 5Мельникова Татьяна Евгеньевна — ассистент, кафедра горного дела, Алмалыкский филиал, Ташкентский государственный технический университет им. И.А. Каримова; 6Сафаров Сухроб Давлеталиевич — заместитель начальника участка, рудник «Каульды», АО Алмалыкский горно-металлургический комбинат», г. Алмалык, Республика Узбекистан
Аннотация: рассматриваются вопросы, связанные с особенностями формирования и изменения во времени напряженно-деформированного состояния скальных породных массивов как объектов активного техногенного воздействия при современных масштабных горных работах, возведения инженерных объектов как наземного, так и подземного размещения, включая сферы разработки месторождений полезных ископаемых, гидротехнического и дорожного строительства и т.д. Рассматриваются условия и особенности поддержания выработок в условиях проявления тектонических процессов, характерных для региона Центральной Азии.
Ключевые слова: подземные сооружения, горное давление, массив горных пород, устойчивость, тектонические напряжения.
ACTUAL SCIENTIFIC AND PRACTICAL OBJECTIVES OF UNDERGROUND FACILITIES AND MINING DEVELOPMENTS SUSTAINABILITY IN SEISMO-TECTONICALLY ACTIVE AREAS
OF CENTRAL ASIA Melikulov A.J.1, Salyamova K.J.2, Gasanova N.Yu.3, Umarov B.^4, Melnikova T^.5, Safarov S.D.6
'Melikulov Abdusattar Jabbarovich - PhD in Technics, Associate Professor, Vice-Director, LLC «CPECIAL ADMINISTRATION № 75»; 2Salyamova Klara Jabbarovna - Doctor of Science, Professor, Leading Researcher, INSTITUTE OF MECHANICS AND SEISMIC STABILITY OF CONSTRUCTIONS SCIENCE ACADEMY OF THE REPUBLIC OF UZBEKISTAN, TASHKENT; 3Gasanova Nadejda Yunisovna - Senior Teacher,
MATHEMATICS DEPARTMENT; 4Umarov Bahodir Turgunovich - Senior Teacher, COAL AND BED DEPOSITS GEOTECHNOLOGY DEPARTMENT, TASHKENT STATE TECHNICAL UNIVERSITY; 5Melnikova Tatyana Evgenievna - Assistant Lecturer, MINING DEPARTMENT,
ALMALIK BRANCH, TASHKENT STATE TECHNICAL UNIVERSITY;
6Safarov Suhrob Davletalievich - Deputy-Chief of mine site, KAULDI MINING, ALMALIK MINING AND METALLURGICAL PLANT, ALMALIK, REPUBLIC OF UZBEKISTAN
Abstract: the article deals with issues related to the peculiarities of the formation and change in time of the stress-strain state of rock massifs as objects of active man-caused impact in mining operations, the construction of engineering facilities, both ground and underground, including the development of mineral deposits, hydraulic engineering and road construction, etc. The article presents some particularities of keeping up these workings under action tectonic processes, which are characteristic properties for Central Asia region.
Keywords: underground facilities, rock pressure, rock mass, sustainability, tectonic stresses.
УДК 622.26
DOI: 10.24411/2304-2338-2019-11002
Массивы скальных горных пород в естественном залегании обладают широким спектром свойств, которые проявляются при любых технологических воздействиях на них. Особенности поведения таких массивов заключаются в сочетании характеристик твердых как упругих, так и пластических тел, включая и хрупких, и вязко-текучих тел, и ползучести.
Большие масштабы использования подземного пространства, даже не связанного с традиционной добычей полезных ископаемых, в различных странах связаны с целым рядом преимуществ подземных сооружений и эффективностью использования подземного пространства для различных нужд [1, с. 480; 4, с. 6; 5, с. 145; 15, с. 5; 19, с. 128; 18, с. 225; 22, с. 105;31, с. 287; 32, с. 125].
Известная традиционная расчетная схема оценки состояния таких сооружений и окружающего массива основана на том, что вертикальная нагрузка устанавливается как вес вышележащего столба пород ав= уИ, а боковые напряжения принимаются в виде аг = ХуЯ, где коэффициент бокового давления 1=ц/(1-ц) (для упругой постановки задачи).
Исследования в массиве пород при разработке месторождений подтвердили правомерность использования этой моделей на практике. Однако в последние десятилетия экспериментально получено, что в целом ряде случаев в массиве горных пород распределение напряжений резко отличается от геостатической модели [6, с. 906; 26, с. 67; 30, с. 384;].
Причиной такого явления являются современные движения земной коры (тектоническая активность), изучение которых начато примерно с середины прошлого столетия. В результате этих исследований составлены карты с указанием вертикальной и горизонтальной составляющих движений участков земной коры [17, с. 26; 3; 25, с. 59]. Особо интересны карты для районов интенсивной добычи полезных ископаемых. В результате анализа соотношения современных вертикальных движений с геологическими структурами на изученной территории выделены четыре типа областей с характерными проявлениями движений [2, с. 35; 23, с. 108], где средние измеренные скорости движений достигают от нескольких до нескольких десятков мм в год.
Что касается горизонтальной составляющей движений, то степень её изученности до настоящего времени на несколько порядков ниже, чем степень изученности вертикальных движений [17, с. 31].
В качестве выразительного примера можно привести измерения на участке высокоподвижной области современного орогенеза, который располагается в пределах высокомобильной по геологическим и геофизическим данным области сближения крупных новейших структур (поднятий) Памира и Тянь-Шаня вблизи поселка Гарм (Таджикистан). Многолетние повторные измерения (как угловые, так и линейные) ведутся здесь на небольшом участке (1х2 км) непосредственно над фронтальной частью известного Вахшского надвига [24, с. 157]. Ещё в прошлом веке отмечалось, что в пределах «поясов максимальной подвижности земной поверхности» возникают землетрясения, т.е. по современной терминологии - в пределах эпигеосинклинклинальных орогенов альпийского возраста [10, с. 185]. Но современные исследователи расширяют область сейсмичности также эпиплатформенными орогенами, проявляющими признаки четвертичной активизации. Земная кора в этой зоне консолидирована, но в некоторых местах, в основном в южной части, в четвертичном периоде началось оживление движений, например, Тянь-Шань, Алтай, Саяны. Здесь землетрясения происходят реже, но порой они исключительно сильны (например, землетрясения в Газли 1976 и 1984 гг. в Узбекистане). Таким
образом, утверждается, что землетрясения территориально и генетически связаны с участками проявления новейших интенсивных и контрастных тектонических движений [8, с. 18; 11, с. 72]. Специалисты установили внутреннюю физическую связь таких процессов как деформации и разрушение горных пород, зарождение сейсмических колебаний и высвобождение при этом энергии [9, с. 147;16, с. 57].
Сооружение подземных горных выработок вызывает нарушение естественного напряженно-деформированного состояния породных массивов, и возникающие в результате этого механические процессы приводят к формированию нового состояния массива в окрестностях выработок, которое образовалось в результате наложения на первоначальное естественное поле дополнительного - техногенного - поля напряжений и деформаций, возникающих при сооружении выработки [3, с. 245; 16, с. 54]. Кроме геологических факторов большое влияние оказывают инженерно-технические условия строительства и, в частности, форма и размеры выработок, их ориентация в массиве, способ проведения и поддержания, конструкция и технология возведения крепи и др.
Другая группа влияющих факторов включает начальное напряженное состояние массива в месте заложения выработки, близость земной поверхности и других породных обнажений -соседних выработок, наличие нагрузки на контуре (реакция крепи). Наибольшее влияние среди этой группы на распределение напряжений оказывает величина первоначального напряжения в массиве. При уменьшении коэффициента бокового распора контурные напряжения на горизонтальной оси увеличиваются, а на вертикальной оси - уменьшаются и при значении коэффициента Х=1/3 меняют знак, т. е. становятся растягивающими.Радиальная нагрузка на контуре выработки в виде реакции крепи увеличивает радиальные нормальные напряжения и уменьшает напряжения, т. е. приводит к снижению концентрации напряжений.
Исследователи при анализе влияния фактора времени отмечают, что в рамках линейной теории ползучести горных пород поле напряжений вокруг выработок стационарно в случае незакрепленных выработок или при наличии крепи постоянного сопротивления и нестационарно при наличии крепи нарастающего сопротивления. В последнем случае концентрация напряжений в приконтурном массиве увеличивается во времени [7, с. 36].
Буровзрывной способ как основной, зачастую и единственный способ проведения горных выработок в крепких скальных породах, оказывает влияние на напряженно-деформированное состояние не только через формирующуюся технологическую неоднородность. Даже при тщательном оконтуривании выработки, так называемом «гладком» контурном взрывании, стенки выработки имеют технологические неровности, искажающие предполагаемую концентрацию напряжений на проектном контуре. Наблюдается увеличение напряжений на участках с максимальной кривизной и уменьшение на участках с минимальной кривизной контура. Особенно можно отметить появление растягивающих радиальных напряжений в области выступов. Так как горные породы обычно имеют низкую прочность на растяжение, в указанных областях следует ожидать скалывание породных выступов, нередко наблюдаемое в выработках и сопровождающееся «стрелянием» горных пород [12, с.9].
Таккак окружающие породы имеют ограниченную несущую способность, т.е. способность сопротивляться увеличению напряжений, и могут деформироваться без разрушения в определенных пределах, то следствием сформировавшегося при проведении выработки нового напряженно-деформированного состояния могут быть процессы разрушения горных пород, проявляющиеся в одних случаях в виде хрупкого разрушения, в других - в виде пластического течения. В результате этого вокруг выработки образуются области запредельного состояния и полного разрушения, которые могут охватывать весь контур выработки или отдельные его части. Деформируемость разрушенных пород повышается, а это в свою очередь вызывает значительное увеличение смещений породного контура [13, с. 44; 14, с. 58; 21, с. 370].
Таким образом, образование в породном массиве частично или полностью разрушенных областей пород является одной из форм проявлений механических процессов деформирования пород или одной из форм проявления горного давления. Частичное или сплошное сводообразование, значительные смещения породного контура, т. е. основные источники формирования нагрузок на конструкции подземных сооружений, являются следствием процессов разрушения. Разрушение кровли горных выработок происходит практически всегда, если не сразу после обнажения кровли, то со временем по мере снижения прочности обнаженных пород.
Определенный интерес представляют результаты исследования условий поддержания горных выработок на шахтах и рудниках Узбекистана и Центральной Азии. Отличительной особенностью в этом регионе является то, что, кроме факторов, носящих общий характер для системы «породный массив-горная выработка», рассмотренных выше, Центрально-Азиатский
регион относится к зонам, подверженным землетрясениям разрушительной силы. Все месторождения полезных ископаемых этого региона находятся в пределах участков, сейсмичность которых оценивается до 7 - 9 баллов [27, с.25]. При некоторых землетрясениях месторождения попадали в зону с максимальной интенсивностью сейсмических колебаний, что приводило к нарушениям устойчивой работы шахт, деформациям крепи горных выработок и выводу из строя стационарных установок (подъемных, водоотливных и вентиляторов главного проветривания). Ощутимый ущерб наносят сильные землетрясения, и значительная часть ущерба приходится на восстановление и ремонт подземных выработок.
Имеются результаты многолетних наблюдений за состоянием горных выработок, находившихся под влиянием тектонических напряжений. Обследование подготовительных выработок показало, что их состояние иногда продолжает оставаться неудовлетворительным, несмотря на частые ремонты. Обращает на себя внимание объем работ по поддержанию выработок, когда отдельные участки в среднем ремонтировались через 1-1,5 года, хотя есть участки, на которых ремонт крепи производили 2-3 раза в течение одного года. Было изучено состояние выработок, закрепленных металлической арочной крепью, которая имеет большой удельный объем по сравнению с другими конструкциями. Эта крепь по конструктивным особенностям должна работать достаточно надежно в податливом режиме, т.е. обеспечивать заданные расчетные деформации без разрушения. На самом же деле рама оказывается «смята» боковыми нагрузками, а выработка сужается в результате этого воздействия, или же рама деформируется, словно нет в конструкции крепи узлов податливости. Типичной формой разрушения арочной металлической крепи является деформация рамы в сложном виде изгиба с кручением [12, с. 12; 28, с. 48; 29, с. 1510].Нередко разрушению или потере несущей способности крепи предшествует отклонение рамы от заданного проектного положения, т.е. потеря устойчивости. Причем, причина потери устойчивости крепежной рамы может быть различной: неравномерность нагрузки по контуру из-за анизотропии свойств породного массива, неравномерность распределения нагрузки от горного давления между соседними крепежными рамами, разброс показателя жесткости этих рам, нагрузки, действующие на раму вне плоскости их расположения, динамические нагрузки и т.д. Вполне естественно, что потеря устойчивости крепежной рамы приводит к резкому снижению ее несущей способности, вследствие чего со временем такие участки выработок деформируются и требуют восстановительного ремонта.
Список литературы / References
1. Адушкин В.В. и др. Техногенно-тектонические землетрясения Днепровско-Донецкого авлакогена/ Адушкин В.В., Санина И.А., Габсатарова И.А., Иванченко Г.Н., Горбунова Э.М. // Доклады АН, 2016. Т. 469. № 4. С. 479-482. DOI: 10.7868/S0869565216220151.
2. Адушкин В.В. Тектонические землетрясения техногенного происхождения// Физика Земли, 2016. № 2. С. 22-44.DOI: 10.7868/S0002333716020010.
3. Адушкин В.В., Турунтаев С.Б. Техногенная сейсмичность - индуцированная и триггерная. М.: Институт динамики геосфер, 2015. 364 с.
4. Войтов М.Д. Комплексы подземных горных выработок и сооружений. Кемерово: КузГТУ, 2012. 198 с.
5. Волченко Г.Н., Серяков В.М., ФряновВ.Н. Геомеханическое обоснование ресурсосберегающих вариантов разработки рудных месторождений системой этажного принудительного обрушения./ // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2012. № 4. С. 144-154.
6. Гасанова Н.Ю., Салямова К.Д., Меликулов А.Д. Особенности поведения массивов скальных пород как твердых тел больших объемов в зонах концентрации напряжений. // Сборник докладов XI Всероссийского съезда по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Казань: Каз. ун-т, 2015. С. 906-908.
7. Гасанова Н.Ю., Салямова К.Д., Меликулов А.Д. Анализ изменчивости деформационных свойств массива горных пород и возможность управления ими при различных геотехнологических процессах // Вопросы науки и образования, 2018. № 10 (22). С. 35-39.
8. Исмаилов А.С. и др. Особенности процессов длительного деформирования массивов пород и их мониторинг при отработке глубоких карьеров./ Исмаилов А.С., Меликулов А.Д., Садинов Ш.М., Султанов К.С., Салямова К.Д., Гасанова Н.Ю. // Проблемы недропользования, 2016. № 3. С. 18-23. DOI: 10.18454/2313-1586.2016.03.018.
9. Касахара К. Механика землетрясений. М.: Мир, 1985. 264 с.
10. Курленя М.В., Серяков В.М. Техногенные геомеханические поля напряжений. Новосибирск: Наука, 2005. 264 с.
11. Лукишов Б.Г., Федянин А.С. Исследования и анализ естественной сейсмической обстановки на территории НГМК и в районе карьера Мурунтау // Горный вестник Узбекистана, 2007. № 2. С. 72-74.
12. Меликулов А.Д., Акбаров Т.Г., Исмаилов А.С., Бакиров Г.Х. Факторы обеспечения длительной устойчивости и безопасности подземных горных выработок шахт и рудников в условиях проявления тектонических процессов // Вопросы науки и образования, 2019. № 19 (66). С. 7-17. DOI: 10.24411/2542-081X-2019-11901.
13. Меликулов А.Д., Салямова К.Д., Кайгародов В.И. Расчетная оценка состояния массива горных пород вокруг подземных выработок // Горный вестник Узбекистана, 2009. № 2. С. 41-46.
14. Миренков В.Е. Расчет деформирования пород с учетом статического, кинематического и динамического аспектов в процессе ведения очистных работ // Известия вузов. Горный журнал, 2018. № 4. С. 54-63.DOI: 10.21440/0536-1028-2018-4-54-63.
15. Мостков В.М. и др. Подземные гидротехнические сооружения/ Мостков В.М., Орлов В.А., Степанов П.Д., Хечинов Ю.Е., Юфин С.А. М.: Высшая школа, 1986. 464 с.
16. Николаевский В.Н. Дилатансионная реология литосферы и волны тектонических напряжений // В кн.: Основные проблемы сейсмотектоники. М.: Наука, 1986. C. 51-68.
17. Никонов А.А. Современные движения земной коры // В кн.: Основные проблемы сейсмотектоники. М.: Наука, 1986. C. 25-35.
18. Покровский Н.М. Комплексы подземных горных выработок и сооружений. М.: Недра, 1987. 248.
19. Рассказов И.Ю. и др. Геомеханическая оценка условий разработки глубоких горизонтов полиметаллического месторождения «Южное»./ Рассказов И.Ю., Курсакин Г.А., Потапчук М.И., Мирошников В.И., Фрейлин А.М., Осадчий С.П. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2012. № 5. С. 125-134.
20. Салямова К.Д., Гасанова Н.Ю., Меликулов А.Д. Управление свойствами массива горных пород в зоне влияния горностроительных работ // Вопросы науки и образования, 2018. № 10 (22). С. 29.
21. Салямова К.Д., Меликулов А.Д. Решение задач оценки устойчивости подземных выработок и бортов карьеров численными методами механики.// Труды международной научно-технической конференции «Прочность материалов и элементов конструкций». Киев: Ин-т проблем прочности НАН Украины, 2011. С. 374-379.
22. Сашурин А.Д. Сдвижение горных пород на рудниках черной металлургии. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 1999. 268 с.
23. Султанов К.С. и др. Анализ напряженно-деформированного состояния инженерных сооружений при динамических нагрузках/ Султанов К.С., Салямова К.Д., Меликулов А.Д. // Вестник ТГТУ. Ташкент, 2003. № 2. С. 107-111.
24. Таль-Вирский Б.Б. Геофизические поля и тектоника Средней Азии.М.: Недра, 1982. 271 с.
25. Шеметов Р.С. Особенности мониторинга деформационных процессов объектов недропользования, подверженных воздействию современных геодинамических движений // Проблемынедропользования, 2019. № 1. С. 57-61. DOI: 10.25635/2313-1586.2019.01.057.
26. Aydan O. Time-Dependency in Rock Mechanics and Rock Engineering. London, UK: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2017. 240 p.
27. Gasanova, N.Yu. Formation of the earthquake database for evaluation of their influence on the slope stability of deep quarries // European science, 2017. № 6 (28). P. 24-26.
28. Melikulov A.D. at all. Analysis of the conditions of effective and safe explosive destruction of rocks during the construction of underground facilities./Melikulov A.D., Salyamova K.D., Gasanova N.Yu., Rumi D.F. // Polish journal of science, 2019. № 15. Vol. 1. P. 47-51.
29. Melikulov A.D., at all. Investigation and maintenance of underground mining developments in seismic-tectonic active areas of the Central Asia. / Melikulov A.D., Aripov A.T., Salyamova K.D., Rumi D.F., Ismailov A.S. // Proceedings of the 25-th Word Mining Congress. Astana, Kazakhstan, 2018. P. 1506-1515. URL www.wmc2018.org.
30. Wang S., at all. Advances in rock-support and geotechnical Engineering./ Wang S., Hagan P.C., Cao C. // Tsinghua University Press Ltd., China - Published by Elsevier Inc., Amsterdam Boston, 2016. 410 p.
31. Wittke W. Rock mechanics based on an anisotropic jointed rock model. Berlin: Wilhelm Ernst &Sohn, Verlag fur Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co., 2014. 875 p. DOI: 10.1002/978-3-433-60428-1; 10.1002/978-3-433-60431-1.
32. Zhu H., at all. Stability assessment for underground excavations and key construction techniques./ Zhu H., Chen M., Zhao Y., Niu F.// Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2017. 157 p. DOI: 10.1007/978-981-10-3011-6.
