CC BY
33
ГЕОМЕХАНИКА
УДК 622.831
А. Н. Соловицкий
ОСОБЕННОСТИ ВЫДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННЫХ ЗОН БЛОЧНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
Оценивая закономерности образования напряженных зон блочного массива горных пород [1,2], выполним анализ пространственно-
временных вариаций отметок рельефа. Если в эпоху ^ высота блока 1 равна Щ!)] , а в эпоху 1 её значение изменится и станет равным Н1[1], тогда ДЩМо], характеризующая амплитуду движения блока за период Мо , можно определить, как
ДЩМо]= Щ1]-Щ1о], (1)
скорость вертикального движения блока у^Н]
У1(1-1о) = ДЩНО/ (НО. (2)
Из (1) и (2) следует, что разность амплитуд движений 5ДН11+1 [1-1о] двух соседних блоков 1 и 1+1 и разность скоростей 5у11+1[1-1о] с равны
5ДНм+1 [1-1о]= ДНМ [1-1о]- ДН1[1-1о], (3)
§Уц+1 [г-1о]= У1+1 [Н]- У1[Мо]. (4)
Отношение амплитуды (1) к расстоянию Б1 характеризует угол наклона а 1, (Мо)
а 1 [Мо]= ДН1 [Н,]/ Б1 , (5)
а отношение разности амплитуд (2) к расстоянию Б1, 1+1 характеризует угол наклона между блоками а ц+1[Мо]= 5ДЩМо]/ 0,1+!., (6)
Если оценить деформацию участка земной коры при действии только вертикальных движений на примере прямоугольного треугольника А[1о]В[1о]С[1о] то можно записать [2]
ЯДО = ВД + Щ1], (7)
где ЯДО -радиусы-векторы вершин треугольника АЩВОДСр], построенного после вертикальных движений соответствующих вершин треугольника А[1о]В[1о]С[1о]; Я1[1о] -радиусы-векторы вершин треугольника А[1о]В[1о]С[1о].
Разности радиусов-векторов соответственно равны
дяав[1-1о]= явМ - Яа[1] , (8)
ДRвc[t-tо]= ЯсМ - ЯвШ Компоненты деформации дилатация 0[1-1о] и главный сдвиг у[Мо] могут быть определены с использованием известных выражений скалярного и векторного произведения векторов. Для нахождения главного сдвига используем формулу [2]
у[МоНя[о,5л-а[Мо]], (9)
где
а[Мо]=агссо8{ДКАв[Мо]' ДЯвс[Н>] /
[ДЯав[1-1о]] ■ [ДЯвс[1-1о]]}. (Ю)
Величина дилатации ©[Н] равна
0[1-1о]=(Б[1]-8[1о])/ Б[1о], (11)
где 8[1]-площадь треугольника А[1]В[1]С[1] на эпо-
ху 1; 8[1о]-площадь треугольника А[1о]В[1о]С[1о] на эпоху 1о.
Площадь треугольника А[1]В[1]С[1] на эпоху 1 равна
8[1]=о,5[ДЯав[1-1о]]* [ДRвc[t-tо]]sinа. (12)
Компоненты деформации у[Н] и 0[Н] могут быть определены по (9-12), исходная информация для их определения может быть получена по топографическим материалам.
Следует отметить, что в нетронутом блочном массиве горных пород не отмечается проявление геодинамических явлений, обусловленных естественными геодинамическими процессами, при скоростях деформации земной коры, оцениваемых Ыо-5 - Ыо-6 в год [2]. В напряженных зонах скорости деформаций должны быть больше данных значений.
Скорости деформаций Уе п [Н] блока земной коры равны
Уе п [1-1о]= е гг[Мо]/ [1-1о], (13)
где еп [Н] - компоненты тензора деформации блока земной коры; 1-1 о - период времени.
Критерием формирования напряженной зоны будет выполнения условия
Уе п Ио] ^ 3 Уе п [Мо], (14)
где Уеп [Мо] - скорости деформаций земной коры, не ведущие к геодинамическим явлениям.
Данный способ оценки использует общедоступные топографические материалы и может быть применен заранее для любой территории будущего освоения месторождения, тем самым экспресс-методом будет проведено предварительное выделение напряженных зон, выраженных в рельефе земной поверхности. Предложенная методика предварительного выделения напряженных зон блочного массива горных пород - составная часть интегрального метода контроля напряженного состояния блочного массива горных пород.
Этот метод -оптимально спроектированная на принципах интеграции, преемственности и поэтапности система, которая характеризуется:
-выделением и идентификацией блоков земной коры;
- их структурной аппроксимацией;
- регистрацией их формирования и взаимодействия;
4
А. Н. Соловицкий
Рис.1. Геодинамическая обстановка и скорости деформаций земной поверхности (110-6 в год) в районе Кузбасского ГДП (-- -граница шахтных полей; 0 - линия нулевых значений дилата-ции @[Ыо] [4]; ——¿-зона растяжения; —
— - зона сжатия; 50 -скорости деформаций земной поверхности)
- учетом результатов прикладного геодина-мического анализа.
Вопрос о выделении напряженных зон блочного массива горных пород актуален в открытой печати [1-3]. Решение этого вопроса -одна из главных задач геомеханического обеспечения геотехнологии освоения недр при освоении угольных месторождений. Предварительное выделение напряженных зон блочного массива горных пород необходимо продолжить результатами инструментальных исследований, которые решают фундаментальную задачу проверки преемственности новейших движений блоков в современный пери/
татам повторных гравиметрических наблюдений на Богдановском ГДП
од.
На рис.1 приведены величины скоростей компонент деформации блочного массива горных пород в районе Кузбасского ГДП, для определения которых автором использованы результаты повторных инструментальных наблюдений, выполненные предприятием ГУГК [2,4].
Результаты, приведенные на рис.1, показывают, что освоение месторождений на данной территории ведет к формированию двух зон напряжений. Границы распространения напряженных зон определяются по величинам скоростей деформаций земной поверхности различной интенсивности. Установлено, что скорости деформаций
—6
земной поверхности достигают 165* 1о в год.
Другим фактором, учитывающим результаты анализа полей напряжений в напряженных зонах, является тип геодинамической обстановки.
Основными типами геодинамической обстановки являются зоны сжатия, растяжения, сдвига.
Фактор влияния зоны сжатия на степень потенциальной удароопасности месторождения является наибольшим, а зоны растяжения наименьшим [1].
Выделение зон сжатия или растяжения выполняется по знаку величины дилатации 0[14о]. Величина дилатации больше нуля характеризует зону растяжения, а меньше нуля - зону сжатия. Данная методика применена для определения гео-динамической обстановки в районе Кузбасского ГДП (рис.1). Геодинамическая обстановка в районе Кузбасского ГДП характеризуется чередованием зон растяжений и сжатия, что свидетельствует о характере поведения блоковых структур при действии техногенных процессов в виде пространственной деформационной волны. Техногенная геодинамика в районе Кузбасского ГДП на площади 8оо км2 представлена добычей угля на 23 шахтах в окрестности городов Киселёвска и Прокопьевска. Другой стороной наличия зон сжатия и растяжения является возможность проявления сейсмического события.
Положительные величины изменений во времени поля силы тяжести Д§[Мо] характеризуют зону сжатия, а отрицательные -зону растяжения.
Выделение напряженных зон блочного массива горных пород по результатам повторных гравиметрических наблюдений является составной частью интегрального метода контроля напряженного состояния блочного массива горных пород. Положительные величины изменений во времени поля силы тяжести Д§[1-1^] характеризуют зону сжатия, а отрицательные - зону растяжения (рис.2). Выделение напряженных зон на рис. 2 выполнено автором по результатам повторных наблюдений на Богдановском ГДП [5].
Однако, в районах интенсивной техногенной деятельности выделение напряженных зон блочного массива горных пород по результатам повторных гравиметрических наблюдений имеет
свои особенности. Эти особенности исследованы в итоге повторных гравиметрических наблюдений на ГДП в районе Саяно-Шушенской ГЭС.
Повторные гравиметрические наблюдения, выполненные на этом ГДП в 1982-1983 гг.[6], зарегистрировали совместное влияние природной и техногенной геодинамики.
Повторные гравиметрические наблюдения на ГДП Саяно-Шушенской ГЭС выполнены отечественными гравиметрами. Количество приборосвя-зей в 1982 г. равно 12, а в 1983 г. - 9. На рис.3 приведены изменения во времени ускорения свободного падения (силы тяжести) на трёх пунктах ГДП: 18,46 и 52.
Техногенная геодинамика характеризуется регулированием уровня водохранилища СаяноШушенской ГЭС на 76 м. Перед выделением напряженных зон блочного массива горных пород были вычислены с помощью ЭВМ по цифровой модели переменных масс водохранилища техногенные изменения ускорения свободного падения (силы тяжести). Вычисление выполнено на основе алгоритмов и программ [2], при учёте которых получены соответствующие им величины, свободные от влияния техногенной геодинамики (рис.4). Сравнивая результаты, приведенные на рис.3 и. 4, видно, что доминирующий характер имеют техногенные изменения ускорения свободного падения (силы тяжести). Поэтому в районах интенсивной техногенной деятельности выделение напряженных зон блочного массива горных пород непосредственно по результатам повторных наблюдений приведет к ошибочным результатам.
Поэтому их выделение необходимо проводить величинам изменений во времени ускорения свободного падения (силы тяжести), свободным от влияния техногенной геодинамики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Геодинамическое районирование недр. - Л.: ВНИМИ,1990.-129 с.
2. Соловицкий А.Н. Интегральный метод контроля напряженного состояния блочного массива горных пород/ Под ред. П.В. Егорова. -Кемерово: ГУ КузГТУ, 2003.- 260 с.
3. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасным по горным ударам (РД 06-329-99)/ Колл. авторов.-М.: ГП НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000.-66 с.
4. Карташов М.П., Есиков Н.П. Изучение деформаций земной поверхности на Кузбасском геоди-намическом полигоне //Современные движения и деформации земной коры на геодинамических полигонах.- М.: Наука,1983.-С.102-106.
5. Балавадзе Б.К. Повторные гравиметрические изменения силы тяжести на Богдановском геоди-намическом полигоне/Балавадзе В.К., Абашидзе В.Г., Ниаури Г.А., Цагурия Т.А.. //Повторные гравиметрические наблюдения: Сб. науч. трудов.- М.: Изд-во ВНИИгеофизики, 1981.-С.103-106.
6. Соловицкий А.Н., Васильев А.Б., Канушин В.Ф. Результаты повторных гравиметрических наблюдений в районе водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС //Повторные гравиметрические наблюдения: Сб. науч. трудов. - М.: Изд-во Нефтегеофизики, 1984.-С. 80-83.
□ Автор статьи:
Соловицкий Александр Николаевич
- канд.техн.наук, доц. каф. маркшейдерского дела и геодезии
Рис.3. Изменения во времени ускорения свободного падения (силы тяжести) на пунктах 18,46 и
52 (1'10-8 м с-2)
52
-46
18
Рис.4. Изменения во времени ускорения свободного падения, свободные от влияния техногенной
геодинамики (1*10~8 м с ~2)
Обобщая результаты исследований, можно сделать выводы о том, что особенностями выделения напряженных зон являются следующие:
- системный подход, реализованный в интегральной методе контроля напряженного состояния блочного массива горных пород;
- итерационный подход, заключающийся в уточнении предварительного выделения последующими инструментальными наблюдениями на ГДП;
- единые характеристики;
- разделение влияния природной и техногенной геодинамики.
