CC BY
35
О деформационно-волновых процессах в окрестности взрывов
В.Н. Опарин, А.А. Акинин, В.И. Востриков, В.Ф. Юшкин
Институт горного дела СО РАН, Новосибирск, 630091, Россия
С использованием скважинных продольных деформометров проведены натурные эксперименты, из анализа результатов которых следует, что реакция горных пород на взрывные воздействия носит ярко выраженный знакопеременный характер, приближение очагов взрывов к измерительным точкам приводит к росту деформаций с резко выраженной нелинейной зависимостью. Определены размеры работающих геоблоков и скорость волны их смещения.
1. Введение
Знания о напряженно-деформированном состоянии массивов горных пород и протекающих в них геомеха-нических процессах имеют фундаментальную значимость как для прогнозирования катастрофических форм проявления горного давления, так и для создания безопасных технологий отработки месторождений. Структурная иерархия массивов горных пород, пронизывающая собой практически все доступные для лабораторных и натурных исследований масштабные уровни [1], и соответственно наличие степеней свободы геоблоков, определяемых этой иерархией, приводят к тому, что в напряженных геосредах возникают нелинейные волны, носителями которых являются геоблоки определенных масштабных уровней за счет их трансляционного и вра-
щательного движения при динамических воздействиях [2].
Для изучения особенностей протекания этих процессов и, в частности, происходящих в окрестностях технологических взрывов, в лаборатории горной геофизики ИГД СО РАН разработан многоканальный измерительный комплекс МОЭД-1п, который предназначен для регистрации деформаций и смещений геоблоков вдоль скважины в геосредах с естественной и наведенной трещиноватостью [3]. На рис. 1 приведена схема установки этого комплекса в скважине при проведении измерений, где выбирается реперная 0 и контрольные точки С1, С2, ..., С8. Вдоль оси устанавливается штанга, жестко фиксируемая к реперной точке при помощи базовой опоры. Измерительные модули свободно пере-
Рис. 1. Схема установки комплекса МОЭД-1п в скважине
Опарин В.Н., Акинин А.А., Востриков В.И., Юшкин В.Ф., 2002
мещаются вдоль штанги, но при помощи установочных опор жестко крепятся к стенкам скважины в контрольных точках. Смещение контролируемых точек вдоль оси скважины относительно реперной вызывает смещение измерительных модулей относительно базовой опоры, которое измеряется датчиком линейных перемещений, расположенном в каждом измерительном модуле. Из накопителя производится считывание данных о положении контрольных точек. Комплекс позволяет проводить измерения одновременно по восьми каналам.
В настоящей работе приводятся некоторые результаты применения этого измерительного прибора на руднике Октябрьский ОАО ГМК «Норильский никель» для изучения нелинейных деформационных процессов, индуцированных технологическими взрывами при проходке подземной выработки — по существу, в ближней зоне, где применение обычной сейсморегистрирующей аппаратуры вызывает известные трудности. Кроме того, сейсмическая аппаратура не позволяет измерять абсолютные деформации в породных массивах.
2. Деформационные процессы, индуцированные взрывами при проходке выработки
План горных работ на время проведения экспериментов и схема расположения деформометров приведе-
ны на рис. 2. Исследования проводились на специально подготовленном участке восточного фланга шахты 1 на глубине 700 м от земной поверхности. В проходке находились три забоя, два из которых — ТШ-9ю и ТШ-9с были остановлены на период экспериментальных работ. Расстояние между встречными забоями ТШ-9с и ТШ-9ю составляло ~ 25 м на начало эксперимента. Пробурены 4 скважины длиной 15-20 м под углом 3°: №№ 3 и 4 — в забоях ТШ-9ю и ТШ-9с; №№ 1 и 2 — в стенках выработки разведывательного орта 8/9 (РО-8/9). В первом эксперименте три приборных комплекса устанавливались в скважинах 1,3,4. Расстояние между измерительными датчиками составляло 1.5 м, при этом первый устанавливался от стенки выработки на расстоянии 1 м.
На пятые сутки после установки измерительных приборов в наблюдательных скважинах возобновилась проходка выработки ТШ-9с. Длительность эксперимента составила 13 дней. За это время было выполнено пять технологических взрывов со съемом геомеханической информации до и после этих динамических событий. В силу критической близости забоя скважины 3 к месту ведения буровзрывных работ измерения прибором МОЭД-1п в данном месте велись с регистрацией действия только первого взрыва и в течение пяти суток до него. После этого цикла измерений приборный комплекс был перемещен в скважину 2 (рис. 2).
Рис. 2. План горных работ и схема расположения деформометров
Рис. 3. Смещение блоков по скважине № 3
Результаты измерения смещений участков пород между контрольными точками вдоль скважин 3 и 1 относительно базовых опор в глубине массива представлены на рис. 3 и 4. По скважине 3 непосредственно после взрыва № 1 наиболее существенные смещения произошли в контрольных точках 1-3 (рис. 3). Между точками 1 и 2 произошло растяжение, размах которого составил 325 мкм, между 2 и 3 — сжатие на величину 375 мкм, причем точка 1 переместилась в сторону забоя. Точки 3 и 4 раздвинулись на величину 200 мкм. Интересно отметить, что через сутки после взрыва точки 1 и 2 практически не изменили своего положения, а точка
3 переместилась в противоположную сторону, совершив колебательное движение с амплитудой 225 мкм. Согласно рис. 4, через двое суток после установки измерительных датчиков зафиксировано изменение состояния контролируемого участка массива с выделением зон относительного растяжения ~ 50 мкм (приконтурная на удалении 1.0^2.5 м) и сжатия ~ 50 мкм (2.5 ^4.0 м). Участок массива между базовой опорой и призабойным датчиком на удалении 5.5^8.0 м не проявил заметных изменений в деформированном состоянии.
Обращает на себя внимание, что относительные к базовой опоре смещения пород в этих зонах имеют одина-
Рис. 4. Смещения блоков по скважине № 1
Рис. 5. Кумулятивные деформационные характеристики по скважине № 1
ковый знак — в направлении к очистному забою ТШ-9с. За время эксперимента, когда забой ТШ-9с продвигался к наблюдательной выработке РО-8/9, отмеченная тенденция в целом сохранялась с «квазимонотонным» возрастанием смещений пород в направлении движущегося забоя не только в окрестной зоне 1.0^5.5 м, но и после второго взрыва в глубинной зоне 5.5^8.0 м.
Учитывая удаленность очистного забоя на начало ведения экспериментальных работ от базовой опоры МОЭД-1п для скважины 1 (~ 39 м), можно заключить, что наблюдаемый отрицательный тренд графиков относительных смещений пород (рис. 4) обусловлен возмущениями напряженного состояния окрестных пород от движущегося забоя ТШ-9с, а размер зоны заметного влияния этой выработки оценивается радиусом ~ 40 м. Это особенно наглядно показывает поинтервальный анализ знаков изменения деформаций пород для участков скважины между измерительными модулями, обусловленных экспериментальными взрывами 1^5. Для удобства анализа обозначим участки массива между измерительными датчиками 1 и 2, ., 4 и базовой опорой соответственно через I, II, III и IV. Деформационные характеристики пород контрольных участков представим в двух видах — дифференциальном и кумулятивном.
Под кумулятивными деформационными характеристиками будем понимать разностные графики относительных смещений участков пород между смежными измерительными датчиками (рис. 5). Здесь понятие «кумулятивные» подразумевает суммарное воздействие как
квазистатического изменения напряженно-деформированного состояния окрестного массива от приближающейся выработки ТШ-9с, так и собственно динамических воздействий взрывов. Под дифференциальными понимаются характеристики приращения деформаций участков массива, обусловленные только взрывными воздействиями. Их определяем по кумулятивным характеристикам деформационного процесса в контрольных участках породного массива путем вычитания значений деформаций, зарегистрированных после взрыва (спустя 40^50 минут по окончании проветривания выработки), из соответствующих значений деформаций непосредственно перед взрывом (около 1 часа).
Выбор небольших по времени промежутков измерения (не более часа) обусловлен тем, что «ступенчатые» изменения в смещениях геоблоков могут наблюдаться как до, так и после взрывов без видимой связи с ними. Наглядное свидетельство тому — графики относительных смещений пород на участках НИ до первого взрыва и на участках между третьим-четвертым и чет-
вертым-пятым взрывами (рис. 4).
Анализ графиков кумулятивных деформационных характеристик, представленных на рис. 5, удобно провести с привлечением составленной на их основе таблицы 1 — значений деформаций массива по интервалам измерений I, ., IV непосредственно до и после технологических взрывов 1, ., 5.
Из этой таблицы следует, что в течение всего эксперимента контрольные участки пород вдоль скважины 1 ведут себя по-разному. Так, участки I (приконтур-
Таблица 1
№ взрыва Деформации массива в пределах участков контроля до очередного взрыва, мкм Деформации массива в пределах участков контроля после очередного взрыва, мкм
Контрольные участки Контрольные участки
I II Ш IV I II Ш IV
1 -50 +50 +25 0 0 +50 +50 0
2 -25 +50 +25 0 -25 +25 0 +1 0
3 -25 +25 0 + 100 0 -25 0 +125
4 + 100 0 0 +125 +950 -800 -50 +150
5 +950 -825 0 +125 -125 -25 +50 +1 0
ный к выработке РО-8/9) и IV (самый удаленный) испытывают деформации сжатия с тенденцией их роста по мере приближения забоя выработки ТШ-9с, в то время как разделяющие их участки II и III испытывают преимущественно деформации растяжения с той же тенденцией роста во времени.
Следует отметить, что согласно [4, 5] по расстоянию от контура наблюдательной выработки РО-8/9 контрольные участки массива I (1.0+2.5 м) и IV (5.5+8.0 м) отвечают зонам условно ненарушенных пород, в то время как участки массива II и III (2.5+5.5 м) попадают во вторую «неклассическую» зону дезинтеграции.
При оценке вклада собственно взрывов в деформационную картину массива вдоль скважины 1 удобно воспользоваться табл. 2 для дифференциальных характеристик, связанных со скачком деформаций в пределах контрольных участков пород.
Из представленной таблицы следует, что реакция горных пород на взрывные воздействия, во-первых, носит ярко выраженный знакопеременный в смысле [4, 6] характер, а во-вторых, с доминированием деформаций растяжения в пределах участков I, III, IV. Принимая во внимание абсолютные значения скачков деформаций, а также удаленность базовой опоры измерительного прибора на моменты проведения соответствующих взрывов, можно отметить следующее. Приближение
очагов взрывов к месту расположения датчиков измерения приводит к росту деформаций (по «размаху» от 50 до 1.875 мм) с ярко выраженной нелинейной зависимостью.
Наибольшие деформации испытывает приконтурная зона наблюдательной выработки РО-8/9 на глубину до ~ 4 м после четвертого и пятого технологических взрывов. Расстояние до базовой опоры измерительного комплекса МОЭД-1п на эти моменты времени составляло порядка 26+29 м. Примечательно, что сравнимые по величине деформации (-325+375 мкм) наблюдаются в забое ТШ-9ю уже после первого взрыва (рис. 3), когда расстояние между встречными выработками ТШ-9ю и ТШ-9с составляло ~ 25 м.
Представленные данные свидетельствуют о том, что для выбранных в эксперименте горно-геологических и геомеханических условий существенно нелинейные деформации от технологических взрывов проявляются на удалениях порядка 25 и менее метров. При этом окрестная зона пород наблюдательной выработки глубиной ~4 м со стороны ведения буровзрывных работ испытывает знакопеременные деформации миллиметрового диапазона. Для оценки размеров геоблоков А, реагирующих на применяемые технологические взрывы в анализируемом случае, воспользуемся геомеханическим инвариантом цА(8) [7] со значениями (4 +5)-10-3 [8].
Таблица 2
№ взрыва Скачок деформаций по участкам !-!^ мкм Диапазон изменения деформаций, мкм Модуль диапазона изменения деформаций (размах), мкм
I II III IV
1 -50 0 -25 0 -50+0 50
2 0 +25 +25 -1 0 -100++25 125
3 -25 -100 0 -25 -100+ -25 75
4 -850 +8 0 -50 -25 -850++800 1650
5 +1075 -800 -50 +25 -800++1075 1875
Смещение (
Рис. 6. Смещения блоков по скважине № 1 при прохождении волны смещения (маятниковой) (взрыв № 3, период измерений составлял 10 мс)
Принимая во внимание, что в контролируемых процессах цА (8) имеет смысл относительных деформаций, величину работающих блоков можно оценить, согласно [7], по формуле:
8
А =------. (1)
М'А (8) 1 }
Здесь параметр 8 имеет смысл абсолютных смещений между контролируемыми точками массива пород после взрывных воздействий. Подставляя в формулу (1) значения цА (8) е (4 + 5) • 10-3 и 8 = 1.9 • 10-3 м (табл. 2), имеем А е (0.38 + 0.48) м. Другими словами, в прикон-турной зоне наблюдательных выработок на взрывы заданной мощности реагируют со значительными смещениями геоблоки размерами до 40+50 см. И в этом смысле имеем очевидную оценку линейных размеров геоблоков, опасных по вывалообразованию в выработках, подверженных достаточно сильному влиянию буровзрывных работ от смежных участков отрабатываемого массива. Отметим, что по скважине 4 прибор МОЭД -1п не показал значимых по его точности измерения (25 мкм) смещений в породном массиве впереди забоя ТШ-8с для взрывов от ТШ-9с, удаленных на расстояния от 58 до 40 м до ближайшей точки регистрации. Это обстоятельство можно объяснить, по-видимому, экранирующим влиянием выработок ТШ-9ю, ТШ-9с и РО-8/9. При этом, конечно, не следует исключать и того, что на отмеченных расстояниях реальные деформации в массиве руды от применяемых взрывов имеют значения менее 25 мкм (ср. показания прибора в скважине 1 после первого взрыва по табл. 2: удаленность очага составляла ~ 39 м).
В последний день эксперимента было произведено одновременно два взрыва: во встречном забое ТШ-9с
и в забое ТШ-8с, где расположена скважина 4. Дефор-мометр из этой скважины был убран. Измерения проводились в скважинах 1 и 2. Смещений в рудном массиве зафиксировано не было. Этот любопытный факт еще не нашел себе должного объяснения.
3. О волне смещения геоблоков от технологического взрыва
В ходе описанного выше эксперимента были проведены измерения по регистрации так называемой волны смещений от взрыва N° 3. Соответствующие результаты представлены на рис. 6. Измерения проводились по скважине 1. Период опроса четырех датчиков составлял 10 мс. Измерительный датчик 4, самый ближний к производственному взрыву, не среагировал. Первым сместился датчик 3, затем через ^3-1 = 5.25 с — датчик
1, спустя 2 = 2.62 с после смещения датчика 1 — датчик 2. Возникает вопрос, почему датчик 4 не сработал, а смещение датчика 3 не вызвало никакой реакции у датчика 2? Зная расстояния между точками регистрации, которые составляют I = 1.5 м, нетрудно рассчитать величины скоростей волн смещения между пунктами 3-1 и 1-2 соответственно:
V,,-1 = — = — = 0.5714 м/ с,
3-1
I
Ч-2
5.25
1.5
Я 2 =-----------= ^— = 0.5725м/с.
1 2 ^ 2.62 '
(2)
Эти скорости оказываются практически равными.
Если ввести понятие «фазы» волны как знака смещения геоблоков в зависимости от направления ее распространения, то оказывается, что в направлении 3 ^ 1 она отрицательна, а в направлении 1 ^ 2 — положи-
тельна. Эта волна смещения была зарегистрирована от взрыва с массой взрывчатого вещества 200 кг на расстоянии = 32 м от очага. При массах взрывчатого вещества в 90, 100 и 130 кг волна смещения не регистрировалась. Скоростные характеристики такого порядка величин отвечают известным в геомеханике волнам давления [8] — от десятых долей до единиц м/с.
4. Выводы
1. В напряженных массивах горных пород составляющие его геоблоки находятся в постоянном движении с амплитудами смещений, доходящими до десятых долей миллиметра.
2. При технологических взрывах геоблоки в окрестных к очагам зонах приходят в движение, смещаясь син-фазно и противофазно друг относительно друга.
3. При мощности взрыва, превышающей определенную величину, в породных массивах может формироваться волна смещения геоблоков со скоростью порядка десятых долей м/с.
Авторы выражают благодарность В.В. Аршавскому, А.П. Тапсиеву, Б.Н. Самородову за помощь в проведении экспериментов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты №№ 02-05-64837, 01-05-65062), СО РАН (проект № 77).
Литература
1. Садовский М.А. Естественная кусковатость горной породы // Докл. АН СССР. - 1979. - Т. 247. - № 4. - С. 829-831.
2. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.И., Аршавский В.В., Ма-мадалиев Н. Волны маятникового типа Ч. III: Данные натурных наблюдений // ФТПРПИ. - 1996. - № 5. - С. 3-27.
3. Курленя М.В., ОпаринВ.Н., Акинин А.А., Сиденко Г.Г., ЮшкинВ.Ф.
Многоканальный оптоэлектронный деформометр продольного типа // ФТПРПИ. - 1997. - № 3. - С. 105-119.
4. Курленя М.В., Опарин В.Н. Скважинные геофизические методы диагностики и контроля напряженно-деформированного состояния массивов горных пород. - Новосибирск: Наука, 1999. - 328 с.
5. Шемякин Е.И., Курленя М.В., Опарин В.Н., Рева В.Н., Глуши-хин Ф.П., Розенбаум М.А. Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок / Открытие СССР № 400. - Опубл. в БИ. - 1992. - № 1.
6. КурленяМ.В., ОпаринВ.Н., Ревуженко А.Ф., ШемякинЕ.И. О неко-
торых особенностях реакции горных пород на взрывные воздействия в ближней зоне // Докл. АН СССР. - 1987. - Т. 293. - № 1. -С. 67-70.
7. Курленя М.В., Опарин В.Н., Еременко А.А. Об отношении линейных
размеров блоков горных пород к величинам раскрытия трещин в структурной иерархии массива // ФТПРПИ. - 1993. - № 3. - С. 3-9.
8. Курленя М.В., Опарин В.Н. Проблемы нелинейной геомеханики. II
// ФТПРПИ. - 2000. - № 4. - С. 3-26.
