CC BY
45
© В.В. Адушкин, В.Н. Опарин, 2015
УДК 550.3 + 622
В.В. Адушкин, В.Н. Опарин
ФИЗИКА И ГЕОМЕХАНИКА ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ОЧАГОВЫХ ЗОН РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В ПРИРОДНЫХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРИКЛАДНЫХ РАЗРАБОТОК*
Формулируются актуальные задачи и направления научных исследований, а также технико-технологических разработок по физике и геомеханике формирования и развития очаговых зон разрушения горных пород в природных и горно-технических системах. Отмечается, что сформулированные направления исследований и разработок могут составить основу для международного мегапроекта по наукам о Земле междисциплинарного характера на тему «Разработка и создание многослойной геоинформационно-мониторинговой системы геомеханико-геодинамической и экологической безопасности в мире».
Ключевые слова: нелинейные геомеханические и геофизические процессы, очаговые зоны катастрофических событий, сверхглубокое бурение, разрушение, мониторинговые системы, экология.
Настоящий доклад составлен авторами на основании полученного личного опыта долговременных теоретических и экспериментальных исследований, в том числе и в рамках руководимых ими на протяжении более 10 лет ряда интеграционных проектов РАН и СО РАН разного уровня с участием многих ведущих институтов РАН и ее региональных отделений, а также зарубежных ученых в направлении развития методологических, методических и инструментальных основ обеспечения геомехани-ко-геодинамической безопасности ведения горных работ в России, а также создания фундаментального научного задела для геотехнологий будущего — геотехнологий «реакторного типа» [1-13].
В условиях доминирующей ныне тенденции в мире перехода к освоению минерально-сырьевых ресурсов на возрастающих по глубине горизонтах от поверхности Земли, увеличивающихся объ-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 13-05-00673 а), а также в плане реализации Партнерского интеграционного проекта № 100 СО РАН.
емов ведения горных работ и сопутствующих этому негативных воздействий на экологическую обстановку для среды обитания животного и растительного мира (нередко в катастрофических формах) это направление исследований и разработок имеет самое непосредственное отношение к обеспечению стратегии устойчивого развития современной и будущих цивилизаций. Накопленный же опыт решения весьма сложных задач участвующими в их решении больших коллективов естествоиспытателей позволяет уже в недалеком будущем сформулировать в качестве одного из международных мегапроектов в области наук о Земле междисциплинарного характера «Разработку и создание многослойной геоинформационно-мониторинговой системы геомеханико-геодина-мической и экологической безопасности в мире».
Вне всякого сомнения, его реализация способна внести большой вклад в обеспечение безопасности, ускорение экономического роста и решение социальных проблем развития горнодобывающего комплекса России, Китая, США, Канады и других горнодобывающих стран лидеров мировой экономики - «минерально-сырьевой житницы» для, практически, всей промышленности на обозримую перспективу и далее, а значит, и стратегически устойчивого развития наших стран в нарастающе конкурентной среде международного разделения труда и миропорядка.
Как известно, в настоящее время техногенная деятельность человека оказывает существенное влияние не только на локальные изменения напряженно-деформируемого состояния массивов горных пород в пределах отрабатываемых шахт и рудников, но и провоцирует природные катастрофические события (особенно в регионах России, приуроченных к геодинамически активным областям). Так, из данных исследований акад. В.В. Адушкина, чл. — корр. РАН А.А. Маловичко и др. [14] следует, что потоки сейсмической энергии от взрывных работ в пределах Восточно-Европейской платформы на 2—4 порядка выше потоков сейсмической энергии от природных землетрясений, регистрируемых на этой территории. Не редкими становятся и горно-тектонические удары (СУБР, Кольский п-ов, Урал, Кемеровская обл. и др.).
Сложившиеся обстоятельства требуют комплексного подхода в определении реального воздействия техногенной деятельности человека на окружающую среду, а следовательно, осуществления непрерывного контроля за её состоянием и эволюцией. Без этого невозможно реализовывать ни актуальных прогнозов, ни обосно-
ванных мер профилактики катастрофических событий (техногенные землетрясения, горные удары, подземные пожары, внезапные выбросы пород, угля и газа, обрушения налегающих и выдавливание подстилающих толщ и др.), ни выбора и обоснования оптимальных технологических схем безопасного освоения полезных ископаемых и подземного пространства, в том числе ведения буровых и взрывных работ [15].
Диагностика уровня «критичности» в состоянии контролируемых объемов массивов пород в процессах разрушения и прогнозирования катастрофических событий в горном деле, как показали современные экспериментальные и теоретические исследования, должны основываться на учёте реально существующего взаимодействия между глобальными геодинамическими (тектоническими) и локальными геомеханическими (техногенными) полями в верхней части земной коры блочно-иерархического строения [1-3]. На базе этих знаний, очевидно, должны разрабатываться современные мониторинговые системы контроля напряженно-деформируемого состояния на горнодобывающих предприятиях страны и их методологическая основа, собственно методическое наполнение, приборно-измерительное оснащение, а также осуществление базовых в горном деле энергосберегающих технологических процессов разрушения пород, особенно при направленном и сверхглубоком бурении породных массивов, осуществления буровзрывных работ [15, 16].
В современных условиях акцентными по своей актуальности становятся «генетические» основы формирования очаговых зон разрушения горных пород в их напряженных массивах сложного геологического строения, во многом связанные с механизмами трансформации упругой энергии в формирующихся зонах катастрофических событий и технологического разрушения в кинетическую энергию движения их структурных элементов. Такая информация используется также как «априорная» при проектировании и формулировке технических требований к современным мониторинговым системам геомеханико-геодинамической и экологической безопасности на крупнейших горнодобывающих предприятиях России и мира.
В качестве необходимого научного задела, отвечающего мировому уровню исследовании в русле обозначенной проблематики, можно отметить следующие крупные достижения, представленные в развернутом виде в работах [1-18].
Важнейшим итогом геомеханико-геодинамических исследований явилось обнаружение тесной взаимосвязи между глобальными геодинамическими и локальными геомеханическими процессами,
обусловленными ведением горных работ, особенно в тектонически активных зонах. Не менее крупным результатом таких исследований явилось также заключение о фундаментальной роли блочно-иерархического строения горных пород и массивов для объяснения существования широкой гаммы нелинейных геомеханических эффектов и возникновения сложных самоорганизующихся геосистем. Эти достижения дали мощный импульс современному развитию нелинейной геомеханики и геофизики. Иерархическая структура характерна для многих систем, особенно для литосферы Земли, где геофизики выделяют более 30 иерархических уровней — от тектонических плит протяженностью в тысячи километров до отдельных минеральных зерен миллиметрового размера. Земная кора, следовательно, не является сплошной средой и, как любая синергетическая система, обладает свойствами иерархичности и «самоподобия».
Крупномасштабное воздействие горнодобывающей промышленности на верхнюю часть литосферы не ограничивается только изъятием из земных недр и перемещением больших объемов горной массы, нефти, газа и воды. В результате техногенного воздействия инициируются огромные потоки энергии в геофизической среде. Возникающие при этом диссипативные структуры обусловливают появление неустойчивых состояний в породных массивах, которые реализуются в виде различного рода катастроф, среди которых наиболее опасными являются горные удары и техногенные землетрясения, выбросы пород и газа, техногенные пожары при отработке угольных месторождений. Следует при этом особо отметить, что в современных условиях высоких темпов роста и объемов добычи, а также потребления минерального сырья в странах-лидерах мировой экономики долговременная стратегия развития горнодобывающей промышленности должна строиться с учетом роста техногенной нагрузки на экосистемы. Поэтому актуальность решения проблемы сохранения среды обитания растительного и животного мира в районах с высокой техногенной нагрузкой с годами будет только возрастать [19, 20].
Сопутствующие этой жизненно важной для человечества деятельности по недропользованию нередко связаны с деструктивным началом для геоэкологии не только в пределах разрабатываемых горных отводов и горно-обогатительных комплексов, но и далеко за их пределами. Во многом это «деструктивное начало» обусловлено »модуляцией» геоэкологических процессов геомеха-
нико-геодинамическими процессами как внутри, так и на поверхности Земли из-за ведения горных работ и индуцируемых ими движениями структурных отдельностей самой верхней части земной коры, соразмерных образующимся подземным и наземным полостям при извлечении полезных ископаемых [3].
В этом аспекте развитие методологических основ и их методического наполнения для осуществления комплексного крупномасштабного геомеханико-геодинамического и геоэкологического мониторинга является не только важной задачей успешного развития горнодобывающих регионов России и мира, но и необходимой предпосылкой для облагораживания поверхности Земли после завершения ведения горных работ на конкретных территориях [20].
Следовательно, рассматривая шахты и рудники как уникальные природные лаборатории, широко представленные по поверхности континентов Земного шара, где можно детально исследовать во взаимосвязи геомеханические, геофизические, геоэкологические и геодинамические процессы инструментальными методами, естественной представляется идея «синхронизации» и «геообъектной привязки» геомеханической, геоэкологической и геотехнологической информации к глобальной сейсмологической, спутниковой геофизической и геодезической [2]. В России она в значительной мере представлена «Федеральной системой сейсмологических наблюдении и прогноза землетрясений», находящейся под эгидой Геофизической службы РАН и МЧС России [21].
С активным развитием спутниковой геодезии и геофизики, облачных геоинформационных технологий [10] в последние десятилетия появились реальные возможности для включения и этих слоев атмосферной и приповерхностной информации в будущую глобальную систему геомеханико-геодинамической и экологической безопасности. Для этой объединяющей идеи имеются веские основания в виде наработанного к настоящему времени большого объема фактического материала разноплановых экспериментальных исследований, теоретических разработок и обобщений в области геоинформатики, геомеханики, геофизики и геотектоники [1-18].
К важнейшим методологическим результатам этих исследований следует отнести [2, 3]:
1. Основными свойствами геосреды являются ее блочно-иерархическое строение и постоянные колебательные движения структурных элементов горного массива. Экспериментальные наблюдения свидетельствуют о практически повсеместной распространенности разнопериодных циклических вертикальных и горизонтальных движений геоблоков разного масштабного уровня;
2. Подвижность земной коры и ее проницаемость для жидкости и газов обусловлены наличием трещин, соразмерных отделяемым ими геоблокам соответствующего иерархического уровня. Речь идет о «локализованном» характере динамического деформирования геосреды, наличии активных массообменных процессов в межблоковых трещинных пространствах и ярко выраженном проявлении эффекта аномально высокой тензочувствительности геофизических полей в зонах сопряжения геоблоков по всей их иерархии;
3. Основными энергетическими источниками движения структурных элементов геосреды и ее геосфер в целом являются тепло недр Земли (тектонические силы), лунно-солнечные приливы (вообще — гравитационные приливы от планет Солнечной системы), атмосферное давление и техногенная деятельность человека.
Отмеченная «триада» — непременное условие, обеспечивающее взаимосвязь энерго- и массообменных процессов между геосферами Земли, а также космическим пространством, обусловливая сложные процессы самоорганизации в породных массивах [3].
К настоящему времени разработан большой комплекс приборов и оборудования для определения напряженно-деформированного состояния горных пород и их массивов, контроля геомеханических процессов (механические, спутниковые геодезические, горно-геофизические) [6-8].
Из группы горно-геофизических наибольшее развитие и применение в геомеханических системах мониторинга получили сейсмические и электрометрические приборы. Шахтными сейсмологическими станциями с наземными и подземными павильонами ныне в необходимой мере обеспечены и продолжают успешно оснащаться горнодобывающие предприятия в нашей стране и в мире.
Наметилась четкая тенденция по сближению и активному взаимодействию специалистов, разрабатывающих измерительные системы мониторинга и приборные комплексы горногеофизического, геомеханического и геоэкологического направлений. Основными факторами, способствующими такому сближению, являлись фундаментальные открытия в области нелинейной геомеханики и геофизики, связанные с блочно-иерархическим строением массивов горных пород и геоматериалов: выделение групп медленных волн деформаций (волны маятникового типа), динамико-кинематические характеристики которых несут непосредственно информацию о структуре, напряженно-деформированном состоянии породных массивов и энергетических параметрах источников их излучения; доказа-
тельство наличия крупномасштабных зонально-дезинтеграцион-ных процессов.
К последним важным достижениям в области экспериментальной и теоретической геомеханики и геофизики следует отнести следующие:
► В [3] впервые установлена формализованная связь между концентрационным критерием прочности твердых тел по Журкову С.Н., экспериментальным критерием «схлопывания» подземных выработок (полостей) и канонической структурой спектрального состава волн маятникового типа по Опарину В.Н., а также фактору дальнодействия мощных взрывных воздействий в геосредах по Садовскому М.А.—Адушкину В.В. Обоснована необходимость нового — энергетического — подхода к описанию процесса трансформации упругой энергии очаговых зон катастрофических событий в кинетическую энергию движения составляющих их структурных элементов. В этой связи В.В. Адушкиным и В.Н. Опариным введено новое понятие о «сейсмоэмиссионных событиях интерференционного типа».
Это позволило выдвинуть важное методологическое положение, подлежащее дальнейшей экспериментально-теоретической проверке, о том, что наличие сейсмического фона в земной коре от искусственных или естественных источников в условиях син-фазности его спектра с колебательным спектром структурных элементов формирующейся очаговой зоны концентрации напряжений, при определенных энергетических условиях, последняя способна эволюционировать в акустически активное состояние с переходом накопленной упругой энергии очаговой зоны в кинетическую энергию движения составляющих ее структурных элементов — в виде нелинейных геомеханических квазирезонансов с сопутствующим излучением продольных, поперечных и маятниковых волн. Существенное значение при этом, по-видимому, принадлежит проявлению эффекта аномально низкого трения в напряженных блочных геосредах.
► В работе [12] комплексный научный анализ обширных данных натурных исследований, а также геомеханического и термохимического поведения образцов углей различных стадий метаморфизма по угленосным районам Кузбасса позволил заключить о существовании «генетической» связи между выбросо- и пожаро-опасностью угольных пластов, диктуемой геомеханико-геодинами-ческими и термохимическими условиями формирования угольных месторождений в минувшие тектономагматические эпохи истории
развития Земли (гипотеза В.Н. Опарина о «геокрекинговом механизме» возникновения месторождений углеводородного ряда). Следовательно, в отличие от существующих и доминирующих ныне подходов к моделированию процессов формирования очаговых зон катастрофических событий в массивах горных пород неорганической природы, адекватное решение проблем выбросо-опасности и пожароопасности угольных месторождений должно основываться на учете реально существующей тесной связи между геомеханическими и физико-химическими массообменными процессами в многофазных угольных пластах разной стадии метаморфизма при их отработке на заданных глубинах и температурном фоне. При этом экспериментально доказано:
• ИК-радиометрия позволяет дистанционно и оперативно контролировать изменение напряженно-деформированного состояния угольных образцов при их нагружении в реальном масштабе времени;
• имеет место рост внутренней удельной поверхности частиц отбитого угля, связанной с силой внезапных выбросов угля и газа отрабатываемых угольных пластов и, соответственно, с внутренней энергией релаксации углеметана;
• существует «единая зависимость» потери массы (Дт) угольных образцов при изменении их температуры с выделением преимущественно двух диапазонов: от, примерно, 40 до 60°С (Т1) и 480-500°С (Т2). Изменение массы образцов угля в диапазоне температур Т2 связано также с внутренней энергией релаксации метано-носности продуктивных пластов;
• удаление летучих форм в некоторых образцах угля при равномерном нагревании угольного вещества сопровождается эндо-эффектами, т.е. понижением температуры самих образцов. Этот эффект может являться следствием десорбции летучих компонентов. Кроме того, отсутствие экзоэффектов свидетельствует об отсутствии окисления углеродсодержащих соединений в ходе термического анализа;
• со временем хранения образцов угля после их извлечения из продуктивных пластов наблюдается ослабление связи газовой компоненты в углеметановом веществе (в том числе связь метана с веществом угля);
• экспериментально-теоретически обоснован обобщенный многопараметрический показатель количественного описания петрографических свойств углей Кузбасса с использованием ка-
нонической шкалы структурно-иерархических представлений, что позволило ввести новую количественную классификацию и построить распределение петрографических групп пластов разной стадии метаморфизма по угленосным районам Кузбасса.
Недавно проведенный комплекс экспериментальных исследований по анализу связей между тепловыми и деформационно-волновыми процессами, возникающими в угольных образцах разного марочного состава (месторождения Кузбасса) при одноосном жестком нагружении до разрушения, позволил установить [22]:
• практически с самого начала нагружения (со скоростью ~ 3,3-10-6 м/с) в угольных образцах возникают низкочастотные процессы внутреннего микродеформирования, обусловленные движениями структурных элементов по типу колебания связанных между собою «физических маятников». При этом амплитуда таких колебаний возрастает с увеличением уровня напряжений;
• имеет место статистически значимая связь между возрастанием температуры угольных образцов и их прочностными свойствами, выходом летучих веществ и внутренней энергией релаксации метаноносности соответствующих угольных пластов;
• из зависимости между приращениями температуры угольных образцов от начала их нагружения и до разрушения следует, что углеметановые пласты средней стадии метаморфизма (марки угля ОС-К) при прочих «равных» геомеханических условиях, связанных с возрастанием уровня горного давления, будут нагреваться значительно быстрее, чем, например, бурые угли (марки Ж): за счет различия в их температурных градиентах по уровню горного давления, достигающего семикратной величины;
• распределение индуцируемого температурного поля в нагружаемых образцах угля весьма неоднородно. Однако, при этом имеется подобие картин распределения температуры и микродеформаций, обусловленное внутренним строением испытанных образцов угля различных стадий метаморфизма (линейными размерами «механических» неоднородностей).
Установленные закономерности позволяют особо отметить, что при отработке угольных месторождений углеметановые пласты «генетически» способны при определенных геомеханических и термофизических условиях сформировать газодинамический возмущающий импульс от внутренних напряжений, достаточный для развития процессов их саморазрушения с сопутствующими выбросами угля и газа [22].
Поскольку понятие «температуры» — энергетическое в своей основе, а отмеченные выше зависимости приращений температу-
ры для образцов угля различных марок (стадий метаморфизма) при их нагружении до разрушения получены при комнатной температуре, то в перспективных исследованиях, безусловно, следует акцентировать особое внимание на поиске отмеченных связей между относительными приращениями температуры Т° Кельвина.
► В [10] разработан новый подход к реализации современной геоинформационной среды для решения сложных задач горной геоинформатики со значительным потенциалом для решения геомеханико-геодинамических, геоэкологических и иных задач, базирующийся на облачных технологиях.
Особенностями современного этапа развития горной геоинформатики в России являются:
• накопление значительного количества разнообразных баз данных по отдельным направлениям горных наук, используемых, в основном, в одной организации;
• создание специализированных геомониторинговых систем, которые практически сложно или невозможно интегрировать в рамках региона или страны;
• широкое использование систем автоматизированного проектирования на основе различных моделей горнопромышленных комплексов;
• создание систем активной диспетчеризации горнодобывающего оборудования, генерирующих значительные информационные потоки, которые хранятся, но часто не анализируются;
• использование классических геоинформационных систем для описания свойств и процессов массива горных пород, подвергаемого техногенному воздействию;
• создание и применение информационных баз данных от приборов нового класса, которые осуществляют комплексные замеры геомеханико-геодинамических, геоэкологических и газодинамических характеристик и генерируют большие массивы цифровых данных;
• использование данных систем дистанционного зондирования Земли, которые позволяют проводить оценку геодинамико-геомеханического и геоэкологического воздействия горных предприятий на больших площадях, а не в отдельных точках замера;
• разработка сложных программно-вычислительных комплексов для решения широкого класса задач геомеханики, аэрогазодинамики, гидродинамики, геоэкологии в разнообразных горнотехнологических условиях.
Предлагаемый в [10] подход к созданию современных систем горной информатики позволяет на единой методологической основе разрабатывать универсальные распределенные информационно-вычислительные комплексы для решения разнообразных задач горного производства. При этом не регламентируются сами подходы к их решению и те информационные модели, которые необходимы для создания как прикладной, так и вычислительной среды.
Сосредоточение внимания на уровне сервисов позволяет не думать о конкретной программной реализации, так как она может и должна быть разнообразной. Виртуализация самой прикладной области позволяет создавать своеобразные лаборатории, в которые погружается проблема и подбираются соответствующие инструменты. Исследователь освобождается от необходимости искать или конструировать инструменты или данные, он просто должен соответствующим образом подобрать требуемый вид сервиса и, при необходимости, разработать конкретный интерфейс для решения своей проблемы.
Рассматриваемый подход не является всеобъемлющим, однако он позволяет существенно упростить работу с геопространственными данными, что и демонстрируется в [10] на примерах решения ряда конкретных задач.
► ИГД СО РАН — единственный из академических институтов горного профиля в России, где активно и давно развивается научное направление «Горное и строительное машиноведение». В этом направлении особое место занимают машины для бурения скважин в породном массиве. В области создания этих технических средств получен ряд основополагающих результатов, позволивших определить на многие годы тенденции их развития в России и за рубежом. Все серийно выпускаемые на заводах России буровые машины ударного действия погружного типа разработаны в ИГД СО РАН, защищены десятками российских и зарубежных патентов. Авторский коллектив сотрудников ИГД СО РАН за создание комплекса буровой техники для высокопроизводительного бурения глубоких взрывных скважин при добыче железной руды — станка НКР-100 и погружных пневмоударников был отмечен в СССР Ленинской премией [11, 16].
► ИГД СО РАН более 30 лет известен как один из мировых лидеров в области создания машин и комплектов оборудования для реализации технологии бестраншейной прокладки подземных коммуникаций, связанной с проходкой протяженных подземных скважин в грунтовых массивах. Наиболее известными машинами,
разработанными в ИГЛ СО РАН для этих целей, являются автономно движущиеся ударные устройства — пневмопробойники. Главными достоинствами этих машин были и остаются высокая надежность, прочность, безотказность в работе и долговечность. Именно они и всесторонняя патентная защита обеспечили пнев-мопробойникам хорошую конкурентоспособность, способствовали продаже лицензий фирмам США, ФРГ, Франции и Великобритании, экспорту более чем в 30 зарубежных стран [11, 16].
Лальнейшее прорывное развитие этого фундаментального технико-технологического направления - бурение скважин в грунтовых и скальных массивах - связывается с использованием «тонких» геомеханических процессов взаимодействия между рабочими органами буровых установок и породными массивами до их разрушения на принципах обратной связи с физико-механическими и геохимическими свойствами подсекаемых породных толщ.
Реализованный к настоящему времени объем научных исследований и технических разработок, несомненно, являет собой крупный вклад в развитие экспериментально-теоретических основ нелинейной геомеханики и геофизики, создавая соответствующие предпосылки для построения новых (прежде всего — сейсмо-деформационно-электромагнитных) систем комплексного мониторинга экологического состояния геосреды, горных ударов и техногенных землетрясений на рудниках и шахтах России и за рубежом.
Обеспечение их геоинформационной сопряженности и совместимости, например, с ныне действующей Федеральной системой сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений России и ее аналогов в странах мира - залог успешного решения сформулированной ниже «программы» фундаментальных исследований, позволяющей включить мощный конструктивный потенциал для укрепления научно-практического взаимодействия между геофизиками, геомеханиками, горняками и экологами при обеспечении стратегии освоения месторождений полезных ископаемых в ныне усиливающейся тенденции перехода на глубокие горизонты.
Таким образом, как показали современные экспериментальные и теоретические исследования, диагностика уровня «критичности» в состоянии контролируемых объемов массивов пород в процессах разрушения и прогнозирования катастрофических событий в горном деле должна основываться на учёте реально существующего взаимодействия между глобальными геодинамическими (тектоническими) и локальными геомеханическими (техногенными) полями в верхней части земной коры блочно-иерархического строения. На
базе этих знаний должны разрабатываться и современные мониторинговые системы контроля напряженно-деформированного состояния породных массивов и экологического состояния на горных предприятиях горнодобывающих стран мира, их методологическая основа, собственно методическое наполнение, приборно-измери-тельное оснащение, а также осуществление базовых в горном деле энергосберегающих технологических процессов разрушения пород, особенно при осуществлении буровзрывных работ, выполнении направленного сверхглубокого бурения.
В современных условиях акцентными по своей актуальности становятся «генетические» основы формирования очаговых зон разрушения горных пород в их напряженных массивах сложного геологического строения, во многом связанные с механизмами трансформации упругой энергии в формирующихся зонах катастрофических событий и технологического разрушения в кинетическую энергию движения их структурных элементов. Такая информация должна использоваться как «априорная» при проектировании и формулировке технических требований к современным мониторинговым системам геомеханико-геодинамической и экологической безопасности на крупнейших горнодобывающих предприятиях России и мира.
Опираясь на фундаментальные достижения в области наук о Земле, нелинейной геомеханики [1-21 и др.] как необходимый научный задел, в качестве основных целей и направлений перспективных фундаментальных научных исследований видятся [1-3]:
I. Установление главных механизмов формирования и особенностей развития очаговых зон повышенной концентрации напряжений и деструкции массивов горных пород и геоматериалов, обладающих блочно-иерархической структурой, многофазностью и проявляющих свойства открытых самоорганизующихся систем, находящихся в тектоническом поле напряжений и подверженных высоким техногенным нагрузкам, в процессах добычи полезных ископаемых.
II. На основе комплексного анализа и теоретического обобщения современных достижений в области нелинейной геомеханики, геофизики, облачных геоинформационных технологий и с учетом ожидаемых результатов по п. (I) - разработка методологических основ, методов, технических и геоинформационных средств для формирования многослойной геоинформационно-мониторинговой системы геомеханико-геодинамической и экологической безопасности стратегически важных горнодобывающих регионов России и мира.
III. На основе использования современных критериев объемного разрушения горных пород, открытия эффекта аномально низкого трения в блочных геосредах, а также с учетом ожидаемых результатов по п. I и частично по п. II - дать геомеханическое и технико-технологическое обоснование для развития нового перспективного энергосберегающего направленного бурения глубоких и сверхглубоких скважин, построенного на принципе обратной связи с физико-механическими свойствами подсекаемых напряженных породных толщ, с элементами геофизической навигации.
Достаточно полное покрытие отмеченных выше основных направлений фундаментальных исследований по достижению соответствующих им целей возможно на базе решения следующих важных задач.
По направлению I:
• Существенное расширение представлений о породном массиве, как среды блочно-иерархического строения, обладающей нелинейными свойствами, свойствами самоорганизации, а также еще не изученными в достаточной степени механизмами трансформации накапливаемой в очаговых зонах катастрофических событий потенциальной упругой энергии в кинетическую энергию движения ее составных элементов.
• Выполнение натурных исследований напряженно-деформированного состояния массива горных пород на крупнейших месторождениях полезных ископаемых; разработка феноменологических основ и механико-математических моделей и методов описания условий формирования очаговых зон повышенной концентрации напряжений и деформаций в массивах горных пород и механизмов их высвобождения, в особенности на основе энергетического подхода.
Исследование особенностей воздействия геодинамических движений на инженерные сооружения объектов недропользования; определение параметров и выявление закономерностей проявления современных геодинамических движений в массиве горных пород, включая распределение их во времени и пространстве по отношению к тектоническим нарушениям, а также во взаимосвязи с подземными горными выработками и сооружениями.
• Выбор и обоснование наиболее информативных параметров и физических показателей оценки критических состояний породной среды.
• Развитие методов интерпретации данных измерений параметров геомеханических полей посредством решения прямых и
обратных задач для определения напряжений и деформационно-прочностных характеристик породных массивов; верификация новых моделей, описывающих до- и запредельное деформирование пород, на основе решения задач об устойчивости элементов наземных и подземных конструкций; создание соответствующих программных продуктов.
• Развитие основ теории взаимодействия между геомеханическими и физико-химическими процессами в угольных пластах различной стадии метаморфизма при их отработке на различных глубинах и изменяющемся температурном фоне.
• Совершенствование существующих и созданием новых технических средств контроля напряжений и деформаций в породном массиве.
По направлению II:
• Развитие экспериментально-теоретических и геоинформационных основ контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород при отработке месторождений полезных ископаемых в экстремальных горно-геологических и природно-климатических условиях.
• Развитие методических предпосылок оценки сейсмической опасности в районах крупного техногенного воздействия на земную кору, вскрытие закономерностей и механизмов кластеризации динамических явлений (горных ударов, техногенных и природных землетрясений) во времени и пространстве при подготовке катастрофических событий, получение динамических характеристик горных пород, связанных с неупругими процессами вязкоупругого, а также микро- и макропласти-ческого характера.
• Развитие облачных технологий и систем искусственного интеллекта в рамках геопорталов, обеспечивающих интеграцию разнородных данных и вычислительных манипуляций с ними; создание систем вычислений, основанных на сложных математических моделях с привлечением картографической информации для задания начальных и граничных условий, параметров расчета с последующим наглядным отображением результатов.
• Построение на основе данных дистанционного зондирования Земли и горнотехнологических объектов алгоритмов обработки информации в режиме предоставления услуг геосервиса, включая конкретные геоэкологические, газодинамические и гео-динамико-геомеханические расчеты в режиме облачных вычислений, реализуемых как краудсорсинг.
• Создание основ построения комплексных геомеханико-геоди-намических, геоэкологических и геофизических систем мониторинга движений породной среды, ориентированных на решение вопросов прогноза катастрофических событий и их профилактики при добыче полезных ископаемых, с элементами геоэкологической оценки горнодобывающих районов и регионов в целом.
• Разработка методов и технологических средств «синхронизации» и «геообъектной» привязки разнородной информации объектов недропользования, локальных и глобальных мониторинговых систем в единую информационную систему.
• Формирование технических требований к созданию международных геодинамических полигонов для исследования природы и признаков нарастания активности геофизических полей в недрах Земли, верификации широкого спектра методов и технических средств контроля за состоянием геосреды, прогнозирования сценариев ее эволюции.
По направлению III:
• Оптимизация и повышение эффективности работы буровых машин, предназначенных для проходки в породном массиве глубоких и сверхглубоких направленных скважин для реализации технологий будущего - геотехнологий реакторного типа, дегазации угольных пластов, облагораживания поверхности Земли в районах интенсивной добычи полезных ископаемых, технологий выполнения спасательных работ на горных предприятиях и специальных работ в подземном строительстве, а также для установки регистрирующей аппаратуры с целью прогнозирования таких опасных явлений, как горные удары, возникновение очагов самовозгорания и горения угля и др. Установление физических закономерностей разрушающего взаимодействия рабочих органов машин ударного и вибрационного действия с породным массивом с целью укрепления научной базы, обеспечивающей разработку перспективного поколения горных машин и оборудования для их практической реализации.
• Создание физических моделей, математических методов и средств для описания деструктивных процессов, инициированных ударными и вибрационными нагрузками, в частности — моделей, позволяющих достоверно оценивать энергетические и эксплуатационные характеристики создаваемых машин, прогнозировать их ресурс, обеспечивать рациональные геометрические формы и размеры деталей машин и формулировать соответствующие требования к конструкционным материалам.
• Изучение динамики машин для разрушения горных пород при бурении скважин, установление их рациональных функциональных режимов, поиск способов повышения эффективности воздействия рабочих органов горных машин на породный массив при ограничениях на потребление энергоносителя.
• Определение условий развития пластического течения в деталях импульсных машин и зарождения трещин в них при механическом и термическом воздействиях, разработка методики прогнозирования долговечности деталей, выработка рекомендаций по выбору материала деталей и режимов их дополнительной обработки. Обоснование критериев подбора конструктивных материалов и разработка эффективных технологий их упрочнения для повышения надежности и долговечности бурового оборудования.
• Определение условий разрушения геоматериалов, установление обеспечивающих эти условия параметров инструмента и их сочетания с необходимым энергетическим воздействием. Обоснование и экспериментальная проверка новых принципов перемещения проходческого устройства в породном массиве с широким диапазоном физико-механических свойств и утилизации разрушенной породы.
• Обоснование условий возникновения эффекта аномально низкого трения в геосредах и его использования для повышения эффективности механического способа разрушения породного массива при увеличении скорости проходки скважин с одновременным обеспечением их устойчивости к обрушению.
• Увеличение ресурса основных деталей привода и породо-разрушающего инструмента и решение проблемы определения местоположения технического устройства в массиве и управления траекторией его движения.
• Разработка способа изменения траектории движения проходческого устройства в породном массиве при ударно-вращательном способе бурения, учитывающего условия формирования отклоняющего воздействия при динамическом характере разрушения забоя, и средств дистанционной передачи команд на привод системы управления проходческим устройством.
• Разработка интеллектуальных устройств навигации движущегося в породном массиве бурового проходческого комплекса, способных с требуемой точностью отслеживать его отклонение от заданного курса с учетом физико-механических, акустических и электромагнитных свойств геосреды (использование принципа обратной связи).
В заключение авторам хотелось бы особо отметить, что настоящий доклад составлен в значительной мере по мотивам «неформальных» бесед с академиком Цянь-Циху и профессором Пан-Ишаном во время прохождения 4-й Российско-Китайской конференции «Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах», проходившей 27-31 июля 2014 г. в Дальневосточном федеральном университете (г. Владивосток, Россия), академиком Н.Н. Мельниковым и другими коллегами. Из этих бесед мы почувствовали взаимную потребность в видении дальнейших перспектив развития этого, по существу, международного проекта по «мозговому штурму» ключевых проблем современной и будущей геомеханики, ее практических приложений в обеспечение безопасности расширяющегося в мире природопользования и одновременно необходимости сосредоточиться на решении более крупных задач фундаментальной значимости для наук о Земле и горного дела - особенно.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Adushkin V.V., Oparin V.N. From the alternating-sign explosion response of rocks to the pendulum waves in stressed geomedia. Part I // Journal of Mining Science. - 2012. - Vol. 48. — № 2. - pp. 203-222.
2. Adushkin V.V., Oparin V.N. From the alternating-sign explosion response of rocks to the pendulum waves in stressed geomedia. Part II // Journal of Mining Science. - 2013. - Vol. 49. — № 2. - pp. 175-209.
3. Adushkin V.V., OparinV.N. From the alternating-sign explosion response of rocks to the pendulum waves in stressed geomedia. Part III // Journal of Mining Science. - 2014. - Vol. 50. — № 4. - pp. 203-222.
4. Опарин B.H., Козырев A.A., Сашурин AM. и др. Деструкция земной коры и процессы самоорганизации в областях сильного техногенного воздействия. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012.
5. Опарин B.H., Сашурин A.M., Кулаков Г.И. и др. Современная геодинамика массива горных пород верхней части литосферы: истоки, параметры, воздействие на объекты недропользования. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008.
6. Опарин B.H., Аннин Б.М., Чугуй Ю.В. и др. Методы и измерительные приборы для моделирования и натурных исследований нелинейных деформационно-волновых процессов в блочных массивах пород. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007.
7. Опарин B.H., Багаев С.Н., Маловичко А.А. и др. Методы и системы сейсмодеформационного мониторинга техногенных землетрясений и горных ударов. Т. 1. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009.
8. Опарин В.Н., Багаев С.Н., Маловичко А.А. и др. Методы и системы сейсмодеформационного мониторинга техногенных землетрясений и горных ударов. Т. 2. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010.
9. Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Розенбаум М.А., Рева В.Н., Бадтиев Б.П., Тропп Э.А., Чанышев А.И. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008.
10. Bychkov I.V., Oparin V.N., Potapov V.P. Cloud technologies in mining geoinformation science // Journal of Mining Science. - Vol. 50. — № 1. - Pp. 142-154.
11. Oparin V.N., Smolyanitsky B.N. Promote efficiency of drilling equipments in tunneling and drilling rock // Journal of Lioning Technical University (National Science). - 2009. - Vol. 28. — № 3. - pp. 445 - 449.
12. Oparin V.N., Kiryaeva T.A., Gavrilov V.Yu., Shutilov R.A., Kovchavtsev A.P., Tanaino A.S., Efimov V.P., Astrakhantsev I.E., Grenev I.V. Interaction of geomechanical and physicochemical processes in Kuzbass coal // Journal of Mining Science. — Vol. 50. — № 2. - Pp. 191-214.
13. Опарин В.Н., Танайно А.С. Каноническая шкала иерархических представлений в горном породоведении. - Новосибирск: Наука, 2011.
14. Взрывы и землетрясения на территории Европейской части России / под ред. В.В. Адушкина и А.А. Маловичко. - М.: ГЕОС, 2013.
15. Адушкин В.В., Спивак А.А. Подземные взрывы. - М.: Наука, 2007.
16. Смоляницкий Б.Н. Повышение эффективности и долговечности импульсных машин для сооружения протяженных скважин в породных массивах. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2013. - (Интеграционные проекты СО РАН, вып. 43).
17. Триггерные эффекты в геосистемах: материалы второго Всерос. се-минара-совешания // Ин-т динамики геосфер РАН / под ред. В.В. Адушкина, Г.Г. Кочаряна. - М.: ГЕОС, 2013.
18. Адушкин В.В., Турунтаев С.Б. Техногенные процессы в земной коре [опасности и катастрофы]. - М.: ИНЭК, 2005.
19. Опарин В.Н. Геотехнологии будушего - геотехнологии «реакторного типа»: современные тенденции, научный задел, ключевые проблемы // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды: Тр. Всерос. конф. с участием иностр. ученых. Том 1. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012.
20. Опарин В.Н. Фундаментальные проблемы облагораживания поверхности Земли в условиях высокой техногенной нагрузки // Сб. докл. Всерос. научн. — техн. конф. с международным участием «Глубокие карьеры» (18-22 июня 2012 г.). - Апатиты; СПб., 2012.
21. Федеральная система сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений // Информационно-аналитический бюллетень. Спец. Выпуск. - М.: МЧС России, 1995. — № 1.
22. Опарин В.Н., Киряева Т.А., Усольцева О.М., Цой П.А., Семенов В.Н. Об особенностях развития нелинейных деформационно-волновых процессов в угольных образцах различной стадии метаморфизма при их нагружении до разрушения в изменяющемся поле температур // ФТПРПИ. - 2015. — № 4. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Адушкин В.В. - Институт динамики геосфер РАН,
Опарин В.Н. - Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, [email protected]
UDC 550.3 + 622
PHYSICS AND GEOMECHANICS OF GENERATING AND DEVELOPING FOCAL ZONES OF ROCKS DESTRUCTION IN NATURAL AND MINING-ENGINEERING SYSTEMS: CURRENT STATE, PERSPECTIVES IN FUNDAMENTAL INVESTIGATIONS AND APPLIED DEVELOPMENTS
Adushkin V.V., Institute of geosphere dynamics of the Russian Academy of Sciences, Russia, Oparin V.N., Institute of Mining, Siberian Branch Russian Academy of Sciences, Russia.
The paper formulates actual tasks and directions for scientific investigations as well as technical and technological developments on physics and geomechanics of generating and developing focal zones of rocks destruction in natural and mining-engineering systems. It is noted that the perspectives formulated can be a basis for an international multi-disciplinary project on geosciences «Development and creation of multi-layer geoinformational-monitoring system for the world geomechanical-geodynamical and ecological safety».
Key words: non-linear geomechanical and geophysical processes, focal zones of catastrophic events, super-deep drilling, destruction, monitoring systems, ecology, cloud IT, directions of fundamental and applied investigations, issues and tasks.
REFERENCES
1. Adushkin V.V., Oparin V.N. From the alternating-sign explosion response of rocks to the pendulum waves in stressed geomedia. Part I // Journal of Mining Science. -
2012. - Vol. 48. — № 2. - pp. 203-222.
2. Adushkin V.V., Oparin V.N. From the alternating-sign explosion response of rocks to the pendulum waves in stressed geomedia. Part II // Journal of Mining Science. -
2013. - Vol. 49. — № 2. - pp. 175-209.
3. Adushkin V.V., OparinV.N. From the alternating-sign explosion response of rocks to the pendulum waves in stressed geomedia. Part III // Journal of Mining Science. - 2014. - Vol. 50. — № 4. - pp. 203-222.
4. Oparin V.N., Kozyrev A.A., Sashurin A.D. i dr. Destrukcija zemnoj kory i proc-essy samoorganizacii v oblastjah sil'nogo tehnogennogo vozdejstvija (Destruction of the earth's crust and the processes of self-organization in the areas of strong anthropogenic impact). Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2012.
5. Oparin V.N., Sashurin A.D., Kulakov G.I. i dr. Sovremennaja geodinamika mas-siva gornyh porod verhnej chasti litosfery: istoki, parametry, vozdejstvie na ob#ekty nedro-pol'zovanija (Modern geodynamics of a rock mass of the upper lithosphere: sources, parameters, influence on objects of subsurface use). Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2008.
6. Oparin V.N., Annin B.D., Chuguj Ju.V. i dr. Metody i izmeritel'nye pribory dlja modelirovanija i naturnyh issledovanij nelinejnyh deformacionno-volnovyh processov v blochnyh massivah porod (Methods and instrumentation for modeling and in situ studies of nonlinear deformation-wave processes in block-structured arrays of rocks). Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2007.
7. Oparin V.N., Bagaev S.N., Malovichko A.A. i dr. Metody i sistemy sejsmodefor-macionnogo monitoringa tehnogennyh zemletrjasenij i gornyh udarov (Methods and systems seismodislocations monitoring of induced earthquakes and rock bursts). T. 1. Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2009.
8. Oparin V.N., Bagaev S.N., Malovichko A.A. i dr. Metody i sistemy sejsmodefor-macionnogo monitoringa tehnogennyh zemletrjasenij i gornyh udarov (Methods and systems seismodislocations monitoring of induced earthquakes and rock bursts). T. 2. Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2010.
9. Oparin V.N., Tapsiev A.P., Rozenbaum M.A., Reva V.N., Badtiev B.P., Tropp Je.A., Chanyshev A.I. Zonal'naja dezintegracija gornyh porod i ustojchivost' podzemnyh vyrabotok (Zonal disintegration of rocks and stability of underground workings). Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2008.
10. Bychkov I.V., Oparin V.N., Potapov V.P. Cloud technologies in mining geoinfor-mation science // Journal of Mining Science. Vol. 50. No 1. pp. 142-154.
11. Oparin V.N., Smolyanitsky B.N. Promote efficiency of drilling equipments in tunneling and drilling rock // Journal of Lioning Technical University (National Science). 2009. Vol. 28. No 3. pp. 445-449.
12. Oparin V.N., Kiryaeva T.A., Gavrilov V.Yu., Shutilov R.A., Kovchavtsev A.P., Tanaino A.S., Efimov V.P., Astrakhantsev I.E., Grenev I.V. Interaction of geomechanical and physicochemical processes in Kuzbass coal // Journal of Mining Science. Vol. 50. No 2. pp. 191-214.
13. Oparin V.N., Tanajno A.S. Kanonicheskaja shkala ierarhicheskih predstavlenij v gornom porodovedenii (Canonical scale hierarchical representations in the mountain Por-tovenere). Novosibirsk: Nauka, 2011.
14. Vzryvy i zemletrjasenija na territorii Evropejskoj chasti Rossii (Explosions and earthquakes on the territory of the European part of Russia) / pod red. V.V. Adushkina i A.A. Malovichko. Moscow: GEOS, 2013.
15. Adushkin V.V., Spivak A.A. Podzemnye vzryvy (Underground explosions). Moscow: Nauka, 2007.
16. Smoljanickij B.N. Povyshenie jeffektivnosti i dolgovechnosti impul'snyh mashin dlja sooruzhenija protjazhennyh skvazhin v porodnyh massivah (Improving the efficiency and durability of the pulse machines for the construction of long boreholes in rock masses). Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2013. (Integracionnye proekty SO RAN, Vyp. 43).
17. Triggernye jeffekty v geosistemah: materialy vtorogo Vseros. seminara-soveshhanija (Trigger effects in geosystems: proceedings of the second all-Russian. workshop) // In-t dinamiki geosfer RAN / pod red. V.V. Adushkina, G.G. Kocharjana. Moscow: GEOS, 2013.
18. Adushkin V.V., Turuntaev S.B. Tehnogennye processy v zemnoj kore [opasnosti i katastrofy] (Technogenic processes in the earth's crust [hazards and catastrophes]). Moscow: INJeK, 2005.
19. Oparin V.N. Geotehnologii budushhego-geotehnologii «reaktornogo tipa»: sovre-mennye tendencii, nauchnyj zadel, kljuchevye problemy (Geotechnology's future - the report "nuclear reactor types": current trends, science reserves, key challenges) // Fundamental'nye problemy formirovanija tehnogennoj geosredy: Tr. Vseros. konf. s uchastiem inostr. uchenyh. Tom 1. Novosibirsk: IGD SO RAN, 2012.
20. Oparin V.N. Fundamental'nye problemy oblagorazhivanija poverhnosti Zemli v us-lovijah vysokoj tehnogennoj nagruzki (The fundamental problem of refining the surface of the Earth in the conditions of high technogenic load) // Sb. dokl. Vseros. nauchn.-tehn. konf. s mezhdunarodnym uchastiem «Glubokie kar'ery» (18-22 ijunja 2012). Apatity; SPb., 2012.
21. Federal'naja sistema sejsmologicheskih nabljudenij i prognoza zemletrjasenij (Federal system of seismological observations and earthquake prediction) // Informacionno-analiticheskij bjulleten'. Spec. Vypusk. Moscow: MChS Rossii, 1995. No 1.
22. Oparin V.N., Kirjaeva T.A., Usol'ceva O.M., Coj P.A., Semenov V.N. Ob osobennostjah razvitija nelinejnyh deformacionno-volnovyh processov v ugol'nyh obrazcah razlichnoj stadii metamorfizma pri ih nagruzhenii do razrushenija v izmenjajushhemsja pole temperatur (About the peculiarities of the development of nonlinear deformation-wave processes in coal samples of different metamorphism stage during their loading to failure in changing field temperatures) // FTPRPI. 2015. No 4.
