CC BY
50
УДК 622.272:62-75 Н.И. Ермаков
ИНИЦИИРОВАННЫЕ ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ, КАК ПРИЧИНА РАЗРУШЕНИЯ ПОДРАБОТАННОЙ ТОЛЩИ ПОРОД
Семинар № 3
¥""¥'ри ведении горных работ в подИ. земных условиях всегда имеется опасность внезапных обрушений поверхности, что влечет за собой деформации и последующие разрушения инженерных сооружений и зданий вблизи этих провалов. Как и почему происходят деформации покрывающей толщи пород над выработанным пространством хорошо и полно изложено в монографии А.Д. Сашурина «Сдвижение горных пород на рудниках черной металлургии» [1]. Он отмечает, что в настоящее время на основе текущих замеров деформаций можно надежно для практических целей прогнозировать поведение подработанного массива в будущем, тем самым решать вопросы охраны сооружений, попадающих в зону влияния подработки. Вместе с тем, в этой монографии он пишет, что в своей практической деятельности и в литературе часто встречаются исключительные случаи деформирования подработанной породной толщи. Например, им замечено, что на исследуемых лабораторией сдвижения горных пород ИГД УрО РАН десяти рудных месторождениях выявлены случаи вертикальных поднятий земной поверхности, как относительно начального положения реперов, так и и относительно предыдущих замеров. Наибольшее количество случаев поднятий земной поверхности за соответствующий период исследования сдвижений отмечено на Сарановском месторождении в Пермской области. Это 55 % случаев от общего количества замеров положения маркшейдерских реперов.
Аномалии положения горизонтальных векторов сдвижений массива при отработке рудных залежей встречаются тоже не редко. Вектора сдвижений поверхности в зоне проседания массива при так называемых аномальных сдвижениях имеют различную ориентировку по отношению, как к контуру обрушения, так и к друг другу. Иногда они имеют направление противоположное центру провала. Форма обрушений поверхности сама разнообразная, хотя А.Д. Сашурин для упрощения аппроксимирует этот контур обрушения в текущее время в виде круга или эллипса, как это делают и другие исследователи. Углы обрушений массива и сдвижений на конечном контуре для большинства Уральских месторождений оказываются также аномальными по отношению к деформациям подработанной толщи многих угольных месторождений. Также как и аномальным часто является и положение самой мульды сдвижения и провала относительно очистного пространства.
На взгляд автора этой статьи количество аномалий в сдвижении подработанной толщи является вполне достаточным, чтобы приступить к разработке новой практической модели деформирования породного массива, заключенного между дневной поверхностью и очистным пространством. Существующая универсальная модель обрушения породной толщи с последующими деформациями периферийной части провала и мульды сдвижения в целом совсем не отражает сложности поведения подработанной толщи пород. Ведь действующая в инструктивных докумен-
тах модель сдвижения сводится к послойному изгибу породной толщи со смещением слоев и к разрушению породной потолочины под действием веса пород в выработанное пространство.
Современное представление о массиве как об иерархически структурированной среде несколько меняет точку зрения на сам породный массив и механизм его устойчивости в подработанном состоянии, но еще не лишает научной опоры устоявшихся представлений о механизме разрушения на базе устойчивости эквивалентных пролетов. В эту модель обрушения потолочины могут быть введены поправочные коэффициенты на размер структурных блоков, после чего модель снова «оживет».
Установленное экспериментально и даже теоретически на математических моделях глобальной тектоники плит тектоническое поле напряжений на рудных месторождениях дает некоторый сбой для научной обоснованности модели эквивалентных пролетов теории упругости, поскольку все разрушения в подработанной породной толще должны реализовываться при объемном напряженном состоянии в условиях сжатия. Согласно закономерностей перераспределения напряженного состояния породных массивов под влиянием очистных работ, установленных теоретически С.В. Кузнецовым [2] и подтвержденных автором данной статьи на Североуральских и Южноуральских бокситовых месторождениях, в породах кровли присутствует сдвиговой механизм разрушения. В этом случае вертикальная компонента напряжений на достигнутых глубинах разработки рудных залежей (в пределах 100-600 м) намного ниже, чем горизонтальная компонента напряжений (ог). Эта компонента непосредственно вблизи кровли очистного пространства для горизонтальных рудных залежей ориентировочно равняется:
Сг = о - уН, (1)
где о1 - максимальная тектоническая компонента напряжений; у - средняя плотность пород в массиве (т/м3) или градиент изменения вертикальной компоненты напряжений (МПа/м); Н - глубина очистного пространства
Итак, объемное напряженное состояние породного массива подработанной толщи, где отсутствуют растягивающие напряжения и деформации, требуют реализации иной модели разрушения, чем принята в инструктивных документах. Какой же должна быть модель разрушения и модель деформации подработанной толщи?
В этом случае при устойчивости подработанного массива придется обращаться не к усредненному показателю прочности массива потолочины и не к усредненному показателю действующих напряжений в этой потолочине, а к самым слабым участкам покрывающей толщи в пределах контура очистного пространства, а также к уровню напряжений на соответствующих участках массива. Ослабленными участками массива являются среды с тектоническими нарушениями, поэтому ответ на поставленный вопрос разбивается на ряд вопросов в связи с простиранием дизъ-юнктивов, их падением, геометрическими размерами, временем их образования, их мозаикой в пространстве и залеченностью швов.
Учитывая неоднородность тектонических напряжений в интересующей области массива, и воздействие на массив энергетических источников в форме сейсмики, а также присутствие дополнительных ослаблений за счет влажности швов трещин, мы должны рассмотреть множество моделей деформирования подработанной толщи. Однако на каждом месторождении действует своя специфическая модель, включающая соответствующие параметры силового поля и ослаблений массива, хотя для многих из них есть сходные геологические и технологические позиции. Например, на
большинстве месторождений Урала покрывающая залежь породная толща представлена вулканоген-ными породами или пронизана скрепляющими дайками, и очистное пространство поддерживается на опорных целиках, а в массиве пород действует тектоническое поле напряжений с максимальной компонентой субгоризон-тальной ориентации.
Первоначально коснемся геомеханиче-ской ситуации в покрывающей породной толще к началу отработки рудной залежи. В настоящее время яв-ляется установленным фактом, что для Уральских месторождений горизонтальная компонента напряжений превышает вертикальную компоненту напряжений в два и более раз. При наличии на соответствующем месторождении пологопадающих надвиговых нарушений или наклонных слоевых контактов осадочных комплексов вся толща пребывает в квазиустойчивом состоянии, когда сдвиговые компоненты напряжений вдоль тектонических или природных контактов приближаются к компоненте напряжений, обеспечиваю-щей сцепление по соответствующим контактам. Из такого устойчивого состояния блочный массив выходит при малейшем воздействии извне или при некоторых внутренних изменениях в среде. Например, в увлажненных областях массива устойчивость пологопадающих тектонических структур быстро нарушается с появлением локальной над-виговой подвижки в масштабе пологопадающего шва нарушения. В случае сдвиговых смещений вдоль слоистости в осадочном комплексе пород масштаб взаимного перемещения контактирующих структур окажется более значимым, и результаты подвижек на дневной поверхности будут более ощутимыми из-за протяженности контактов, хотя все основные перемещения блоков преимущественно происходят внутри массива.
Итак, многочисленными измерениями упомянутой лаборатории установлено, что абсолютно неподвижной или абсолютно устойчивой среды вблизи земной поверх-
ности не бывает. По слоистости или тектоническим зонам в глубине массива постоянно происходят сдвиговые перемещения. Результаты таких подвижек по дизъ-юнктивам или слоистости проявляются на дневной поверхности только после соответствующей фазы перемещения в подземных условиях [3]. Только смещения по тектоническим структурам в пределах месторождения до начала очистных работ проходят эпизодически в связи с соответствующими изменениями регио-нальных полей напряжений. Чаще всего в таких перемещениях задействованы генеральные региональные структуры. Для Уральского региона это пологопадающие нарушения. Об этом свидетельствуют наблюдения за структурами автора на ряде Уральских рудных месторождений в шахтных условиях и на карьерах.
При создании протяженного по простиранию и падению залежи очистного пространства с поддержанием кровли на соответствующих по размерам опорных рудных целиках больших изменений в геологической среде покрывающей толщи вроде бы не должно происходить, так как все изменения в напряженном состоянии подработанной толщи локализуются на небольшом удалении от очистной камеры. Вертикальную нагрузку от перераспределенного веса пород воспринимают рудные опорные и поддерживающие целики и передают ее в подстилающие породы. Однако с развитием очистного пространства нередки случаи разрушения этих опорных целиков от сдвиговых деформаций по контакту рудного тела с породами висячего или лежачего бока. Пока этот механизм разрушения опорных целиков изучен теоретически недостаточно полно, но он постоянно имеет место, что неоднократно наблюдалось автором этой работы в условиях шахт СУБРа и ЮУБРа.
После потери несущей способности рудных целиков на соответствующей площади подработки в подработанной толще возникает новое поле напряжений. Новое напряженное состояние надрудной
толщи с некоторого момента времени характеризуется высокой анизотропией поля напряжений. В этом новом геомеханиче-ском состоянии подработанной толщи сдвиговые деформации происходят на участках по пологим и наклонным поверхностям ослаблений, где касательная компонента напряжений вследствие высокой анизотропии в напряжениях превосходит компоненту напряжений, отвечающую за сцепление по контакту шва дизъ-юнктива.
Первоначально перемещение с локальным разрушением приконтактных к шву областей проявляется у дизъюнктивов последней генерации в истории месторождения или у дизъюнкитвов более ранних генераций, соответствующим образом ориентированных относительно максимальной и минимальной компонент поля напряжений. Как правило, трещины и нарушения ранней еще дорудной генерации залечены относительно прочными минералами (серпентинитом, плагиоклазитом, кварцем), поэтому для сдвиговых разрушений шва с указанным заполнителем необходимо высокое значение касательной компоненты напряжений в плоскости этого шва. Швы тектонически активных структур, к которым чаще всего относятся пологие нарушения, залечены слабыми минералами (гематит, серицит, магнезит, глинка), поэтому не требуют высоких касательных компонент поля напряжений вдоль соответствующего шва. Наиболее масштабные и ослабленные тектонические нарушения на рудных месторождениях обычно смещают рудную залежь, разделяя месторождение на участки, поэтому чаще всего они оказываются в периферийной части очистного пространства, откуда начинаются разрушения кровли камеры. Рассмотрим примеры деформаций массива для самых простых случаев залегания рудных тел.
Наиболее чувствительными из всех ориентировок ослаблений к старой начальной системе тектонических сил (до ведения очистной выемки) и новой транс-
формированной тензорной системе тектонического поля напряжений уже после создания очистного пространства являются пологопадающие дизъюнктивы. Являются наиболее чувствительными не только из-за их ориентировки в массиве, но и своих генетических особенностей, так как по их поверхностям тектонические подвижки за длительный геологический с момента возникновения месторождения случались период неоднократно. Вместе с тем, при наклонном положении максимальной компоненты напряжений на месторождении вследствие особенностей рельефа поверхности или положения крупных разломов наиболее чувствительными к подвижности становятся горизонтально залегающие структуры, в том числе и плоскости рассланцевания, уподобляющиеся геологами плоскостям напластования. При локальном тектоническом акте или сдвиговом перемещении крыльев дизъюнктива образуются зоны сжатия и растяжения или квадрантное распределение деформаций, которое хорошо известно геофизикам, изучающим землетрясения. Из-за такого распределения деформаций при сдвигах в случае протяженных тектонических нарушений на дневной поверхности всегда оказываются два квадранта деформаций. Часть реперов будет показывать сжатие некой области массива, а другая часть в соседней области растяжение. То есть часть из них, относящаяся к лежачему крылу нарушения, будет двигаться вниз, а подвижные репера висячего крыла дизъюнктива будут воздыматься.
Наименее чувствительными к сдвиговым перемещениям в подработанном массиве являются крутопадающие тектонические нарушения, так как сдвиговая компонента напряжений вблизи швов таких структур минимальна, а удерживающая компонента напряжений максимальна по величине. Высказанные утверждения относятся к пологопадающим рудным залежам. При наклонном положении залежей направление чувствительности дизъюнк-тивов к сдвиговым смещениям изменяет-
ся. Здесь самыми чувствительными к сдвиговым смещениям становятся круто -падающие дизъюнктивы, ориентированные вкрест максимальной тектонической компоненты напряжений, и также субго-ризонтальные структуры, а слабо чувствительными - полого падающие тектонические нарушения.
Если, например, рудное тело залегает под углом 30°, и начальное тектоническое поле напряжений определяется коэффициентом анизотропии равным двум, то новые главные (максимальное и минимальное) компоненты напряжений на периферии окажутся равными 1,25уН и 0,15уН соответственно. Сдвиговая компонента напряжений для крутопадающего и пологопадающего дизъюнктива составит около 0,55уН, а компонента препятствующая сдвигу для крутопадающего - около 0,5уН, и 0,52уН для суб-горизонтального дизъюнктивов. Для крутопадающей тектонической структуры удерживающая компонента напряжений имеет большее значение, чем ранее приведенное расчетное, из-за более прочного заполнителя шва нарушения. Сдвиговые перемещения могут начаться по обоим видам структур. Сдвиговое перемещение по пологому и крутопадающим нарушениям начнется на участке удаленном от обнажения на несколько метров (в зависимости от протяженности очистного пространства). Затем произойдет сдвиговое перемещение по крутопадающей структуре в периферийные части нарушения с выходом на очистное пространство и на дневную поверхность. После увлажнения шва дизъюнктива сдвиговая часть распространится и на дневной поверхности. Перемещение по сдвиговым структурам, обусловленное положительной разницей сдвиговой и удерживающей компонент напряжений, сопровождается положительной обратной связью в изменении поля напряжений и продолжается длительный период [4]. То есть любое начальное перемещение по дислокации постепенно расширяет сферу своего влияния на периферийные области и достигает границы
этой дислокации. Если дислокации выстраиваются параллельно в массиве, то интенсивность процесса сдвижения возрастает.
Висячее крыло нарушения при взаимном перемещении крутопадающей и пологопадающей дизъюнктивной структуры давит на лежачее крыло нарушения, происходит изгиб толщи между шовной частью нарушения и поверхностью камеры. Изгиб кровли приводит к растягивающим напряжениям и деформациям, то есть к разрушению области массива, принадлежавшей этой области. Обрушение пород протекает дискретно и крупными блоками, о чем сообщается в работе [5]. В указанной статье речь идет об обрушениях кровли на шахте «Первомайская», где наблюдение за деформированием подработанной потолочины было тщательно обставлено инструментально.
В центральной части очистного пространства в нависающей толще пород анизотропия начального поля напряжений не достигает таких высоких значений, как на периферии, поэтому сдвиговые перемещения по структурам крутого падения практически невозможны. Сдвиговые перемещения по слабонаклонным тектоническим дизъюнктивам вероятны только при слабом сцеплении по контактам шва нарушений, то есть в случае заполнения шва глинкой, мелонитом или серицитом, а также если шов находится во влажном состоянии.
Итак, обрушение вмещающей подработанной толщи пород инициируется неупругим перемещением крыльев дизъюнк-тивов различного ранга с различными углами падения (преимущественно пологого), ориентированных вкрест максимальной компоненте поля напряжений. На первом этапе перемещение происходит по основной наиболее чувствительной структуре к ориентировке поля напряжений, а затем и по апофизным структурам меньшего ранга. Возможна деформация и в противоположном направлении от частных случаев к общей деформации. Векто-
ра перемещений на поверхности при длительном интервале между наблюдениями будут иметь широкий спектр направлений. В связи с этим обстоятельством очень сложно судить об главных векторах перемещения, а следовательно и главных векторах действующих напряжений накануне обрушения.
Форма обрушения породной толщи при описанном механизме разрушения пород под действием сдвиговых напряжений окажется очень непредсказуемой, чаще всего эллиптически вытянутой в направлении вкрест действия главной компоненты напряжений. Наклон контура зоны обрушения в этом случае будет довольно крутым. Внутренние перемещения блочной среды в подавляющем большинстве случаев будут сосредоточенными, и будут соответствовать границам тектонической зоны. Амплитуда перемещений на удалении от дневной поверхности и на удалении от контура камеры является максимальной.
После обрушения кровли до дневной поверхности произойдет трансформация поля напряжений по всей периферии контура обрушения. Вектора максимального главного напряжения для каждой области массива ориентируются вдоль линии контура. Концентрация максимальной компоненты напряжений окажется наиболее высокой на концах эллипса разрушения, и минимальной в наиболее широкой его части. Однако анизотропия поля напряжений окажется не связанной ни с самой узкой, ни с широкой частью эллипса провала. Высокая анизотропия нового поля напряжений будет приурочена к области массива, незначительно удаленного от устья эллипса. Новая анизотропия поля напряжений окажется неблагоприятной для всех тектонических структур, как пологого залегания, так и крутого падения с
азимутом простирания таких структур параллельно главным осям провального эллипса.
В новом геомеханическом состоянии массива сдвиговые деформации будут проходить в форме чистого сдвига, чистого надвига, а также в переходных формах. Ориентация векторов перемещений на дневной поверхности в таких случаях имеет разное направление в зависимости от типа сдвига или направления надвиго-вой подвижки по пологим дизъюнктивам. Наиболее устойчивым во времени окажется знак пере-мещения реперов относительно друг друга для одного и того же тектонического шва. Наиболее рельефно сдвиговые и надвиговые перемещения будут проявляться вблизи очистного пространства у его периферийной части, так как анизотропия напряжений в этой области массива наиболее резкая.
Таким образом, тектоническое поле напряжений в массиве пород рудных месторождений при неглубоком залегании рудных тел при выемке полезного ископаемого способствует концентрации максимальной компоненты напряжений и снижению уровня минимальной компоненты напряжений. Такое перераспределение поля напряжений в подработанной толще пород, включающей дизъюнктивы различных типов, приводит к повышению сдвигающей компоненты напряжений по структурам надвигового и сдвигового типа и снижению удерживающей сопряженные структуры массива в равновесии. Последующие за этим деформации массива имеют чисто тектонический аспект с квадрантным распределением деформаций поверхности, а также с элементами традиционного представления о разрушениях подработанной толщи в виде изгиба толщи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сашурин А.Д. Сдвижение горных пород на рудниках черной металлургии - Екатеринбург: 1999. - 265 с
2. Кузнецов С.В. Общие закономерности и характерные особенности перераспределения напряжений в массивах горных пород при развитии выработанного пространства.- ФТПРПИ , 1988, N 6, С. 18-31
3. Косыгин Ю.А. Тектоника - М: Недра, 1988, 462 с.
4. Каган А.А. Инженерно-геологическое прогнозирование. - М. Недра, 1984. -195 с.
5. Определение деформаций налегающих пород на шахте «Первомайская»/.Рудаков М.Л, Ца-регородцев В.М., Влох Н.П., Зубков А.В., Сашурин А.Д, Ушков С.М.// Устойчивость бортов карьеров и горное давление. - М.: Недра, 1966. -С. 116 -120
— Коротко об авторах ---------------------
Ермаков Н.И. - Институт горного дела УрО РАН.
---------------------------------------------- © В.М. Серяков, 2005
УДК 622.831 В.М. Серяков
РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ АЛГОРИТМОВ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА С УЧЕТОМ ПОРЯДКА ОБРУШЕНИЯ РУДНЫХ БЛОКОВ
Семинар № 3
дним из методов определения напряженного состояния массива горных пород и его изменения в процессе отработки является математическое моделирование. Зачастую оно является единственным средством, позволяющим установить характер распределения полей напряжений в окрестности отработанного пространства, что определяет важность используемых при расчетах постановок задач механики горных пород и математических моделей. Многообразие моделей, большое число входных параметров, значительные границы изменения механических характеристик горных пород часто
делают затруднительным анализ полученных результатов, не позволяют четко выделить главные особенности деформирования массива. Эти обстоятельства говорят о том, что при математическом моделировании необходимо установить главные факторы, которые оказывают определяющее влияние на напряженно-деформиро-ванное состояние отрабатываемого массива горных пород.
Для условий выемки рудных месторождений вполне приемлема модель упругого тела, так как составляющие массив горные породы представляют собой прочные материалы, подчиняющиеся за-
