CC BY
82
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2019;(12):41-54
УДК 622.1:550.82 DOI: 10.25018/0236-1493-2019-12-0-41-54
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ЕГО НАПРЯЖЕННОСТИ
В.А. Бабелло1, А.В. Бейдин1, В.А. Овсейчук1, С.В. Смолич1
1 Забайкальский государственный университет, Чита, Россия, e-mail: beydin@mail.ru
Аннотация: Рассмотрен вопрос о влиянии погрешности определения параметров физико-механических свойств горных пород на результаты расчетов компонент напряжений в породных массивах. Произведена оценка напряженного состояния массива горных пород, обоснованная результатами исследований его структурно-тектонического строения. Представлены результаты численного моделирования природного поля напряжений Стрельцовского рудного поля, полученные с использованием программной системы конечно-элементного анализа. Выполнено сравнение полученных результатов с данными натурных измерений в элементах горных выработок с использованием метода щелевой разгрузки. Дана оценка влияния изменения параметров механических свойств горных пород на величину вычисленных напряжений. Использованная геомеханическая модель позволила выявить зоны неоднородности вертикальных и горизонтальных компонент природного поля напряжений, установить нелинейный характер их распределения на разных глубинах и выявить отличия от традиционных представлений о напряженном состоянии в горном массиве. Обоснован механизм формирования горизонтальных тектонических напряжений на больших глубинах, позволяющий прогнозировать удароопасность горных пород по горно-геологическим признакам. В результате представлена схема формирования напряженно-деформированного состояния исследованного горного массива. Предложен трехэтапный процесс численного моделирования напряженного состояния массива горных пород, позволяющий учитывать горнотехническую ситуацию в различные моменты времени.
Ключевые слова: горный массив, природные напряжения, физико-механические свойства горных пород, численное моделирование, геомеханическая модель, тектоническая схема горного массива.
Для цитирования: Бабелло В. А., Бейдин А. В., Овсейчук В. А., Смолич С. В. Оценка состояния горного массива на основе анализа горно-геологической обстановки и моделирования его напряженности // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2019. - № 12. - С. 4154. DOI: 10.2501в/0236-1493-2019-12-0-41-54.
Assessment of rock mass behavior based on its geology analysis and stress state modeling
V.A. Babello1, A.V. Beydin1, S.V. Smolich1, V.A. Ovseychuk1
1 Transbaikal State University, Chita, Russia, e-mail: beydin@mail.ru
Abstract: Influence of determination error of physical and mechanical properties on stress calculation results in rock mass is discussed. The stress state of rock mass is estimated and justified with
© B.A. Ba6e.n.no, A.B. EeMflMH, B.A. OBcefiqyK, C.B. cmo^mm. 2019.
results of its structure and tectonics studies. The numerical modeling results on natural stresses in the Streltsov ore field, obtained using finite-element program analysis are presented. The modeling results are compared with in-situ measurements in the elements of underground excavations by the method of borehole slotter. The effect of change in parameters of mechanical properties of rocks on the value of calculated stresses is assessed. The geomechanical model reveals nonuniform zones of vertical and horizontal natural stresses, their nonlinear distributions at different depths and distinctions from the conventional knowledge on stress state of rock mass. The mechanism of horizontal tectonic stresses at great depths is validated, which allows prediction of rockburst hazard by geological signs. As a result, the scheme of the stress-strain behavior of the test rock mass is presented. The three-stage process is proposed for the numerical modeling of stress state in rocks mass, which makes it possible to take into account geotechnical situation at different moments of time.
Key words: rock mass, natural stresses, physical and mechanical properties of rocks, numerical modeling, geomechanical model, tectonic scheme of rock mass.
For citation: Babello V. A., Beydin A. V., Smolich S. V., Ovseychuk V. A. Assessment of rock mass behavior based on its geology analysis and stress state modeling. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2019;(12):41-54. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-12-0-41-54.
Введение
Принятие решений в сложных горнотехнических ситуациях, таких как проходка горных выработок, проведение работ на месторождениях, опасных по горным ударам, и вблизи тектонических нарушений, в блоках-целиках, подготовка и проведение массовых взрывов, основано на большом объеме информации, включающей данные контроля, анализа и прогноза напряженного состояния массивов горных пород. Контроль напряжений в горных выработках представляет собой важнейшую задачу геомеханики, поскольку позволяет прогнозировать опасное состояние на отдельных участках разработки полезных ископаемых и тем самым дает возможность принять меры по предотвращению или локализации недопустимых деформаций.
К настоящему времени установлено, что общее поле напряжений в породном массиве создается гравитационной нагрузкой, контактами пород разного состава, тектоническими нарушениями, что способствует концентрации напряжений, отличающихся от напряженного состояния однородного изотропного массива, где преобладают силы гравитации.
Критерием достоверности расчетных прогнозов напряженного состояния массивов горных пород служат результаты определений компонент напряжений в натурных условиях [1]. В качестве примера можно привести работу В.Л. Яковлева и А.В. Яковлева [2], где в результате анализа и обобщения результатов измерения напряжений на рудных месторождениях установлены следующие основные закономерности распределения поля напряжений:
• превосходство максимальной компоненты поля напряжений, действие которой происходит в субгоризонтальной плоскости, над вертикальной компонентой составляет от 1,3 до 3,0 раз;
• большинство рудных месторождений характеризуются прямолинейной зависимостью значений вертикальной компоненты поля напряжений от массы вышележащих горных пород;
• значения максимальной компоненты поля напряжений повышаются с глубиной, а их зависимости описываются нелинейными уравнениями и для каждого месторождения они индивидуальны [3].
Существующие подходы к оценке напряженного состояния в породном мас-
сиве основаны либо на инструментальных наблюдениях, либо на моделировании. Особенностью моделирования напряженного состояния массива горных пород является наличие достаточно большого объема данных о параметрах их физико-механических свойств, размерах горных выработок, степени тре-щиноватости и ее ориентировке относительно крупных структурных блоков горных массивов, составе заполнителя полости трещин, величинах и характере деформаций на контуре геомеханической модели.
Следует отметить, что в теории и практике расчетов напряженного состояния массивов горных пород до сих пор не уделяется должного внимания анализу достоверности параметров их физико-механических свойств. Это связано с тем, что на каждом этапе разработки месторождения имеются нерешенные до настоящего времени вопросы, касающиеся значительной анизотропии и других особенностей свойств пород. Известно, что при разработке полезных ископаемых в горных породах происходят процессы и явления, которые имеют определяющие значения при рассмотрении изменения характеристик их физико-механических свойств и, как следствие, их влияние на напряженное состояние массива.
Принципиальное значение приобретают такие процессы, как, например, тектонические, которые вызывают изменение напряженного состояния и свойств пород массива, приводящие к росту его деформаций и снижению несущей способности. Известно [4], что при выполнении натурных и лабораторных исследований с целью определения показателей механических свойств пород каждый из них в конкретных испытаниях принимает некоторое значение, которое в общем случае не является постоянным для одних и тех же пород.
В настоящее время для определения физико-механических свойств горных пород и их показателей или характеристик применяются разнообразные методы. Известно, что от методических особенностей испытаний и, соответственно, конструкций приборов показатели свойств пород могут существенно отличаться. Результаты исследований [5] показали, что величины предельного сопротивления пород на сжатие, разрыв и срез зависят от формы и размеров образцов горных пород, характера их нагружения, условий контакта образца и прибора.
В рассматриваемых ситуациях возникает вопрос о влиянии точности определения вышеупомянутых показателей на результаты расчетов напряженного состояния породных массивов и, как следствие, допустимой вариации характеристик физико-механических свойств горных пород. Для решения данного вопроса требуется сопоставление данных натурных измерений напряжений в массиве горных пород с данными компьютерного моделирования его напряженного состояния и оценка влияния входных параметров (характеристик физико-механических свойств пород) на результаты расчета компонент напряженного состояния. Кроме того, для понимания геомеханических процессов в изучаемом массиве на основе анализа горно-геологического материала целесообразно реконструировать тектоническую схему формирования напряженно-деформированного состояния горного массива.
Основные подходы к оценке
напряженного состояния
массива горных пород
Многочисленными исследованиями зарубежных и отечественных ученых установлено, что в ряде случаев условия отработки рудных месторождений характеризуются наличием значительных горизонтальных тектонических напряжений.
Величины их на месторождениях вкрест и по простиранию выработки различны, а превышение над вертикальными может достигать 3—5 раз [6—8].
В большинстве задач по определению механического состояния массива горных пород полагают исходные вертикальные напряжения ст2 = уИ; исходные горизонтальные напряжения стк и сту равными ХуИ, где X — коэффициент бокового распора, характеризующий тектонику рассматриваемого месторождения; исходные касательные напряжения равными нулю [6]. Следует отметить, что в настоящее время существуют различные подходы к определению напряженного состояния тектонических породных массивов. Это связано, прежде всего, со сложностью структур и текстур, которыми обладает массив скальных пород с многочисленными тектоническими нарушениями. Например, в работе [2] на основе теории прочности Кулона-Мора предложено определять осевое направление главных напряжений по положению в пространстве тектонических трещин отрыва и скола, которые ориентированы к вектору действия наибольших растягивающих напряжений по нормали.
О.И. Гущенко [9] в целях воссоздания полей напряжений предложил использовать положение в пространстве и направление деформаций плоскостей смещения, которые определяются по ориентации борозд и штрихов скольжения, являющихся заключительными в формировании тектонических сдвигов.
С.Н. Савченко [10] предложил геомеханическую модель движения магматических потоков и струй в мантии и выполнил конечно-элементный расчет влияния этих течений на напряженное состояние массива горных пород. Участок земной коры в рассматриваемой модели представлен несколькими горизонтальными пластами с одинаковой толщиной и плотностью, но различными параметрами мо-
дуля упругости. По краям модели в каждом слое были приложены горизонтальные усилия, которые соответствовали боковому отпору.
В работе [11] выполнен расчет и анализ напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок, в обрушенных и уплотненных породах кровли пласта, характеризующихся направленной трещиноватостью. Следует отметить, что многообразие геомеханических моделей, большое количество входных разнородных параметров, присущих им, делает достаточно сложным анализ полученных результатов и не позволяет выделить основные особенности напряженно-деформированного состояния массива. В редких случаях известна детальная информация о горно-геологических условиях и горнотехнических особенностях разработки месторождений, а механические характеристики горных пород при этом имеют большой разброс, и известен только их диапазон изменений. Рассматриваемые обстоятельства указывают на то, что при численном моделировании необходимо учитывать только те факторы, которые оказывают существенное влияние на напряженно-деформированное состояние разрабатываемого горного массива [6].
Таким образом, анализ известных подходов к оценке напряженного состояния массивов горных пород позволил выявить основные факторы, влияющие на изменение напряженно-деформированного состояния массива.
Результаты натурных
исследований и измерений
Изучение природного напряженного состояния массива горных пород месторождений Стрельцовское (участки Глубинный и Западный) и Антей проводили путем натурных измерений с использованием модифицированного метода щелевой разгрузки [12—13]. Оценку су-
ществующих напряжений на обнаженных поверхностях массива горных пород осуществляли за счет формирования его напряженного состояния путем пропиливания разгрузочной щели и регистрации абсолютных смещений реперов, установленных ортогонально щели. Инструментальными измерениями, проведенными М.В. Лизункиным и А.В. Бейдиным [14— 16], установлены значения напряжений, действующие вертикально и горизонтально по простиранию (продольные), и вкрест простирания (поперечные). Полученные результаты, с учетом неоднородности строения массива, показаны на рис. 1. На различных глубинах было проведено 289 единичных определений напряжений на стенках подземных горных выработок в 64 точках. Измеренные природные напряжения (а, МПа) в зависимости от глубины (Н, м) характеризуются следующими линейными функциями с коэффициентом детерминации 0,57 (1), 0,99 (2) и 0,95 (3):
• вертикальные напряжения
а = 0,02Н + 0,98; (1)
• продольные напряжения
апр = 0,03Н — 0,26; (2)
• поперечные напряжения
ап = 0,05Н — 10,14. (3) Анализ результатов измерений компонент напряженного состояния массивов горных пород позволил отметить следующее. Для Стрельцовского месторождения отмечено принципиальное различие в характере распределения напряжений на разных глубинах. Если на глубине 400 м вертикальные напряжения превышают совпадающие между собой значения продольных и поперечных напряжений в 1,56 раза, то на глубине 300 м продольные напряжения превышали вертикальные в 1,59 раза. При этом соотношение поперечных и вертикальных напряжений составляло 1,2. Для месторождения Антей такое соотношение равнялось величине 1,49.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что особенности рассматриваемых напряженных состояний массивов, например, проявление высоких горизонтальных напряжений, не-
900
800
700
s 600
Etf 500
cS
X
к Ю 400
£ 300
200
100
0
i • aim мшмв»ям•■ - гор. XII (+0 м) /х/2 ■ш»а aim ■■ i ii
гор. Х(+120 м) / / ^^
/ / гор. VIII (+240 м)
t*. ■ _ Л_ _Р_ _ гор. VI (+360 м)
-ш tmm^mmmmmmumm mautm • гор. IV (+480 м)
i i i i ■ 1 •2 аЗ 1 1 1
О
35 40
+ + +
+ +
+ + + Гранины среЗне-u крупнозернистые
+ +
+ + +
z z z
Z Z Трахидациты массивные
z z Z
Z~ zu z„ Туфы mpaxudaufjmoe
z z Z Трахидациты массивные
Y Y Y Базагъты массивные
о ° c=> о CD о Конгломераты, гравелиты
Zr. Zu z„ Туфы трахидацитов
v V V Фегъзиты массивные
5 10 15 20 25 30 Напряжения сг, МПа
Рис. 1. Результаты прямых измерений вертикальных (1), продольных (2) и поперечных (3) компонент напряженного состояния массива горных пород месторождений Стрельцовское и Антей по Центральной зоне разломов
Fig. 1. Results of direct measurements of vertical (1), longitudinal (2) and transverse (3) components of the stress state of rock mass of the Streltsovsky and Antey deposits in the Central fault zone
сомненно, указывают на их тектоническое происхождение.
Результаты численного
моделирования
Выделив основные факторы, которые могли бы оказать решающее влияние на напряженное состояние массива горных пород, рассмотрим результаты численного моделирования распределения вертикальных ст2 и горизонтальных стх напряжений на месторождениях Стрельцовское и Антей. К числу таких факторов относятся параметры механических свойств горных пород: коэффициент Пуассона, модуль упругости, угол внутреннего трения и сцепление. Результаты моделирования показали, что данные параметры не оказывают существенного влияния на изменение напряженно-деформированного
состояния массива горных пород. Однако изменение уровня значений коэффициента Пуассона в диапазоне от 0,05 до 0,35 оказывает значительное влияние на закон распределения напряжений в горном массиве. Полученные результаты представлены на рис. 2—6 в табл. 1—2. Моделирование производилось с использованием программной системы конечно-элементного анализа Phase2 8.0 (Rocscience, Canada) путем задания в программе переменных характеристик механических свойств пород.
Анализ полученных результатов позволил установить следующее:
• наиболее существенные расхождения в величинах вертикальных напряжений в зависимости от величины коэффициента Пуассона наблюдаются до глубины 400 м;
Таблица 1
Изменение вертикальных напряжений по глубине в зависимости от значений коэффициента Пуассона
Change of vertical stresses in depth depending on the values of the Poisson's ratio
Коэффициент Пуассона Глубина, м
100 200 300 400 500 600 700 800
Вертикальные напряжения, МПа
0,05 9,1 9,3 9,4 9,5 12,0 15,0 17,4 19,8
0,15 8,8 9,2 9,7 10,0 12,5 15,0 17,4 19,8
0,25 6,6 7,8 9,2 9,5 12,5 15,0 17,4 19,8
0,35 6,0 7,4 8,8 10,0 12,5 15,0 17,4 19,8
Таблица 2
Изменение горизонтальных напряжений по глубине в зависимости от значений коэффициента Пуассона
Change of horizontal stresses in depth depending on the values of the Poisson's ratio
Коэффициент Пуассона Глубина, м
100 200 300 400 500 600 700 800
Горизонтальные напряжения, МПа
0,05 2,5 5,0 7,5 9,7 9,9 10,3 10,4 10,5
0,15 2,5 5,0 7,8 9,9 10,4 11,2 11,3 11,0
0,25 2,6 5,1 7,6 9,8 10,8 11,9 12,6 13,4
0,35 2,5 5,0 7,5 10,0 11,4 12,8 14,1 15,4
20
С £
ь"
к
s щ
8 15 «
о. с а я
й 10 -а
-о
с;
а «
s 5 ft CQ
0
■ 100 M x 200 м A 300 M ж 400 м
• 500 м + 600 м ♦ 700 м о 800 м
- -
......*........ ........ж
--------A Я
0
Коэффициент Пуассона г/
ОД 0,2 0,3 0,4
Рис. 2. Зависимость вертикальных напряжений от коэффициента Пуассона при изменении глубины Fig. 2. Dependence of vertical stresses on the Poisson's ratio at depth change
Рис. 3. Зависимость горизонтальных напряжений от коэффициента Пуассона при изменении глубины Fig. 3. Dependence of horizontal stresses on the Poisson's ratio at depth change
100 200 300 400 500 600 700 800 900 Рис. 4. Зависимость вертикальных напряжений от глубины при изменении коэффициента Пуассона Fig. 4. Dependence of vertical stresses on the depth when changing the Poisson's ratio
Рис. 5. Зависимость горизонтальных напряжений от глубины при изменении коэффициента Пуассона Fig. 5. Dependence of horizontal stresses on the depth when changing the Poisson's ratio
• изменение величин вертикальных напряжений на глубинах менее 400 м в зависимости от величины коэффициента Пуассона носит нелинейный характер, в основном полиноминальный;
• изменение величин горизонтальных напряжений, наоборот, с глубины 400 м носит нелинейный характер.
Обсуждение результатов исследований
Проведенный анализ указывает на то, что до глубины 400 м породы горного массива формируют неоднородность уров-
ня вертикальных напряжений. Начиная с глубины 400 м, в горном массиве происходит перенос неоднородности вертикальной составляющей напряженности на неоднородность горизонтальной составляющей напряженности массива, которая увеличивается с глубиной. Поэтому можно предположить, что проявление горных ударов, которые становятся заметными с глубин 500 м, объясняется именно неоднородностью напряжений в горизонтальных направлениях, что приводит к спонтанным (взрывным) вывалам бортов горных выработок.
25
20
15
10
О
Коэффициент Пуассона: —■—0,05 —•—0,15 —a—0,25 —♦—0,35 —в—0,05 —в—0,15 —A—0,25 —©—0,35 Область неоднородности вертикальных напряжений □ —а
Область неоднородности горизонтальных напряжений
Глубина Н, м
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Рис. 6. Зависимость вертикальных и горизонтальных напряжений от глубины при изменении коэффициента Пуассона
Fig. 6. Dependence of vertical and horizontal stresses on depth when changing the Poisson's ratio
На основе анализа горно-геологического материала, полученного в процессе ведения геологоразведочных и эксплуатационных работ, реконструируем процесс формирования тектонической схемы горного массива, локализующего месторождения Стрельцовское и Антей. Магматические силы привели к образованию глубинных крутопадающих разломов, пересекающих как кристаллические породы фундамента, так и породы эффузивно-осадочного чехла и разделяющих горный массив на отдельные блоки, способные перемещаться в вертикальном направлении. Разрывы верхнего структурного этажа, где локализовано Стрельцовское месторождение, представлены разломами, пресекающими всю слоистую вулканогенно-осадочную толщу, и являются нарушениями первого порядка. В силу гетерогенности среды и разных физико-механических свойств пород, слагающих слоистую толщу, при
вертикальных подвижках по разломам в хрупких эффузивных породах (фельзиты, андезиты, базальты, трахидациты) образуются оперяющие трещины второго порядка (сколы). Эти трещины распространяются до границы с другой литологиче-ской разностью породы. Вертикальные подвижки блоков пород также приводят к образованию пологих срывов между пластами пород разного петрографического состава (нарушения третьего порядка).
В силу достаточно большой рассредо-точенности нарушений первого порядка доля сколов между сближенными крутопадающими разломами (нарушения четвертого порядка) и отрывов (нарушения пятого порядка), образующихся между трещинами первого и четвертого порядка, незначительна (рис. 7). Материал, залечивающий полости трещин, представлен преимущественно пластичными слоистыми силикатами: гидрослюды, хлорит,
Рис. 7. Схема формирования напряженно-деформированного состояния горного массива Fig. 7. Scheme of formation of the stress-strain state of rock mass
монтмориллонит, глинистые минералы, присутствует тектоническая глинка трения [17].
Основной тектонической структурой месторождения Антей является разлом 13, который прослежен на глубину более 1800 м. Нарушение пересекает фундамент и перекрывающий его вул-каногенно-осадочный чехол. По своему строению он однороден, и зона его представлена раздробленной и брекчирован-ной породой мощностью до 40 м. Тектонический шов 13 оперяется крутопадающими разрывами, образующими зону нарушенных пород мощностью до 60 м. Разрывы, оперяющие шов 13, затухают в базальных конгломератах, перекрывающих массив гранитов [18]. Граниты, прочные хрупкие породы при вертикальных подвижках при достаточно плотной компоновке крутопадающих разломов образуют все пять порядков тектонических трещин, что приводит к дроблению и брекчированию пород. При этом доля пологих трещин и микротрещин (отрывов и сколов) преобладает над вертикальными разрывами. Наибольшая концентрация пологих нарушений (сколов, отрывов и срывов) находится на контакте кристаллического фундамента и базальных конгломератов. Материалом, заполняющим полости тектонических трещин, являются преимущественно хрупкие гидротермальные минералы: кварц, кальцит, доломит, реже тектоническая глинка трения. Сочетание сил гравитации и тектонических напряжений привело к образованию участков повышенной напряженности горного массива.
Таким образом, поисковым признаком областей повышенного горного давления и признаков удароопасности является комплекс горно-геологических характеристик, представленных: хрупкими породами, перекрытыми чехлом пластичных пород; наличием достаточно плотной упаковки крутопадающих наруше-
ний, большая часть которых затухает в пластичном перекрывающем чехле; наличием вертикальных подвижек, следствием которых является интенсивное дробление и брекчирование пород в зоне тектонической нарушенности. Важным моментом является и глубина залегания очага напряженности, трансформирующаяся в силу гравитации. Проведенные исследования напряженности горного массива на разных глубинах и в различных горно-геологических условиях подтверждают сделанные выводы.
Отдельным вопросом исследований является тема моделирования напряженного состояния массивов, сложенных дисперсными горными породами. В качестве примера рассмотрим один из существующих подходов [19] к решению этого вопроса с использованием программы PLAXIS, включающий ряд моделей грунта.
Остановимся на модели Кулона-Мора, требующей задания пяти основных расчетных параметров: модуля общей деформации, коэффициента Пуассона, угла внутреннего трения, сцепления и угла дилатансии. Отмечено [19], что в программе PLAXIS модель Кулона-Мора снабжена дополнительной опцией, учитывающей увеличение модуля деформации породы с глубиной по линейному закону. Однако такой подход можно считать достаточно упрощенным, так как известно, что модуль деформации зависит от уровня напряжений, действующих в массиве [20]. Таким образом, становится ясно, что без знания компонент напряженного состояния в каждой отдельно взятой точке массива достаточно сложно определить и задать в программе достоверные значения модуля деформации породы. Другим параметром, вызывающим определенные трудности при его определении, является угол дилатансии. Для его определения используют результаты испытаний породы на сдвиг и трех-
осного дренированного сжатия по специальной программе [21].
Для получения достоверных расчетных характеристик породы предлагается воспользоваться результатами стандартных стабилометрических испытаний породы, необходимых для построения паспорта механических свойств породы. На основе полученной данным способом информации строится концепция определения параметров деформируемости породы для задания расчетных характеристик в модели Кулона-Мора.
Заключение
На основе проведенных исследований сделаны следующие выводы:
1. Для повышения точности прогнозных расчетов компонент напряженного состояния породных массивов следует выполнять анализ чувствительности выходных параметров используемых расчетных моделей к изменению входных показателей физико-механических свойств горных пород.
2. При выборе программных продуктов для решения конкретных задач, например, определения параметров напряженного состояния породных массивов остается, как правило, неосвещенным вопрос: «Какие теоретические положения определили выбор модели поведения горных пород из множества имеющихся?». При этом следует иметь в виду, что выбранная модель неизбежно предопределяет соответствующую схематизацию свойств реальной горной породы в конкретном диапазоне деформаций. Например, определение величин модуля упругости и коэффициента Пуассона при больших и нелинейно возрастающих с напряжениями деформациях тектонически нарушенного породного массива не отвечает понятию этих величин как параметров модели теории упругости. К тому же, необходимые для расчетов механическиехарактеристики горных по-
род имеют большой разброс и известен только диапазон их изменений. Эти параметры по существу являются случайными величинами и, принимая то или иное значение, можно оперировать при расчетах компонент напряженного состояния породного массива с некоторой реализацией такой случайности.
3. Результаты исследований напряженного состояния тектонически нарушенных породных массивов свидетельствуют о недостаточной изученности протекающих там геомеханических процессов. Причиной такого положения является отсутствие четкого представления о характере и особенностях напряженно-деформированного состояния исследуемого массива. В связи с этим, при численном моделировании напряженного состояния породных массивов необходимо учитывать только те факторы, которые оказывают на него решающее влияние, в том числе отдельные параметры физико-механических свойств горных пород.
4. Реализация численного моделирования напряженного состояния породных массивов должна состоять из трех этапов.
На первом этапе создается расчетная схема, учитывающая размеры объекта, граничные условия и конечно-элементную дискретизацию геометрической области.
Второй этап заключается в выборе расчетной модели массива на основе анализа лабораторных и полевых испытаний пород, а также тестовых расчетов.
На третьем этапе осуществляется учет в расчетах основных технологических этапов добычи полезного ископаемого и режим эксплуатации объекта (горной выработки).
Следует отметить, что найденное таким образом решение в рассматриваемой задаче может характеризовать напряженное состояние массива горных
пород в момент времени, когда на месторождении существовала данная горнотехническая ситуация.
5. Анализ горно-геологического материала, полученного в процессе ведения геологоразведочных и эксплуатационных работ, дает возможность выделить поис-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ковые признаки областей повышенного горного давления и характеристики уда-роопасности по горно-геологическим признакам, подтвержденные исследованиями напряженности горного массива на разных глубинах и в различных горногеологических условиях.
1. Balek A., Sashourin A. In-situ rock mass stress-state measurements in scales of mineral deposits: problem-solving // E3S Web of Conferences. 2018. Vol. 56, no 02004. DOI: 10.1051/ e3sconf/20185602004.
2. Yakovlev V. L., Yakovlev A. V. Estimate of stress state in rock masses adjacent to open pit walls // Journal of Mining Science. 2007;43(3);247-253.
3. Зубков А. В., Зотеев О. В., Смирнов О. Ю., Липин Я. И., Худяков С. В., Криницын Р. В., Селин К. В., Ершов А. А., Валиуллов Л. Р. Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния земной коры Урала во времени // Литосфера. — 2010. — № 1. — С. 84—93.
4. Резников М.А. Вариационный метод в расчетах устойчивости откосов горных пород. — М.: Недра, 1991. — 104 с.
5. Еремин Г. М. Повышение точности и надежности определения прочностных характеристик пород и их свойств при деформациях массивов пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2000. — № 9. — С. 31—33.
6. Курленя М. В. Техногенные геомеханические поля напряжений. — Новосибирск: Наука, 2005. — 264 с.
7. Kodama J., Miyamoto T., Kawasaki S., Fujii Y., Kaneko K., Hagan P. Estimation of regional stress state and Young's modulus by back analysis of mining-induced deformation // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2013;63:1—11. DOI: 10.1016/j. ijrmms.2013.05.007.
8. Figueiredo B., Cornet F.H., Lamas L., Muralha J. Determination of the stress field in a mountainous granite rock mass // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2014;72:37—48. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2014.07.017.
9. Гущенко О. И. Кинематический принцип реконструкции направления главных напряжений (по геологическим и сейсмическим данным) // Доклады Академии наук СССР. — 1975. — Т. 225. — № 3. — С. 56—67.
10. Савченко С. Н. К вопросу об оценке величины горизонтальных тектонических напряжений в Евразийской литосферной плите / Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых и освоения подземного пространства Северо-Запада России. Ч. 3. — Апатиты: ГоИ КНЦ РАН, 2001. — С. 26—33.
11. Зборщик М. П., Назимко В. В. Расчет методом конечных элементов напряжений и деформаций вокруг выработки, охраняемой в обрушенных породах // ФТПРПИ. — 1980. — № 3. — С. 32—36.
12. Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. — М.: Недра, 1994. — 208 с.
13. Зубков А. В. Геомеханика и геотехнология. — Екатеринбург: УрО РАН, 2001. — 335 с.
14. Лизункин В. М., Лизункин М. В., Сосновская Е.Л., Бейдин А. В. Определение первоначальных (природных) напряжений горных массивов на месторождениях «Стрельцовское» и «Антей» // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2014. — № 4. — С. 207—215.
15. Лизункин М. В. Исследование природных напряжений на месторождениях Стрельцов-ского рудного поля // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 3. — С. 290—296.
16. Овсейчук В. А., Медведев В. В., Бейдин А. В., Подопригора В. Е., Пирогов Г. Г. Комплексная технология отработки скальных урановых руд с элементами подземной рудоподготовки. — Чита: ЗабГУ, 2018. — 343 с.
17. Мельников И.В. Минералого-геохимические особенности процесса формирования гидротермальных уран-молибденовых месторождений // Геохимия процессов миграции рудных элементов. — М.: Наука. 1977. — С. 47—64.
18. Ищукова Л. П., Игошин Ю. А., Авдеев Б. В. и др. Геология Урулюнгуевского рудного района и молибден-урановых месторождений Стрельцовского рудного поля. — М.: Геоинформ-марк, 1998. — 526 с.
19. Голубев А. И., Селецкий А. В. К вопросу выбора моделей грунта для геотехнических расчетов / Научно-практические и теоретические проблемы в геотехнике: межвузовский тематический сборник трудов. Т. 2. — СПб.: СПбГАСУ, 2009. — С. 6—10.
20. Bokiy I. B., Zoteev O. V., Pul V. V., Pul E. K. Selection of basic data for numerical modeling of rock mass stress state at Mirny Mining and Processing Works, Alrosa Group of Companies // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2018, Vol. 134, no 012008. DOI: 10.1088/1755-1315/134/1/012008.
21. Строкова Л.А. Определяющие уравнения для грунтов. — Томск: ТПУ, 2009. — 150 с. итш
REFERENCES
1. Balek A., Sashourin A. In-situ rock mass stress-state measurements in scales of mineral deposits: problem-solving. E3S Web of Conferences. 2018. Vol. 56, no 02004. DOI: 10.1051/ e3sconf/20185602004.
2. Yakovlev V. L., Yakovlev A. V. Estimate of stress state in rock masses adjacent to open pit walls. Journal of Mining Science. 2007;43(3);247—253.
3. Zubkov A. V., Zoteev O. V., Smirnov O. Yu., Lipin YA. I., Khudyakov S. V., Krinitsyn R. V., Selin K. V., Ershov A. A., Valiullov L. R. Regularities of formation stessed-deformed state of the Urals Eath's crust in time duration. Litosfera. 2010, no 1, pp. 84—93. [In Russ].
4. Reznikov M. A. Variatsionnyy metod v raschetakh ustoychivosti otkosovgornykh porod [The variational method in calculation of slope stability rock mass], Moscow, Nedra, 1991, 104 p.
5. Eremin G. M. Increasing of accuracy and reliability of definition of strength characteristics of rocks and their properties during rock massif deformations. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2000, no 9, pp. 31—33. [In Russ].
6. Kurlenya M. V. Tekhnogennye geomekhanicheskie polya napryazheniy [Man-made geome-chanical stress fields], Novosibirsk, Nauka, 2005, 264 p.
7. Kodama J., Miyamoto T., Kawasaki S., Fujii Y., Kaneko K., Hagan P. Estimation of regional stress state and Young's modulus by back analysis of mining-induced deformation. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2013;63:1—11. DOI: 10.1016/j. ijrmms.2013.05.007.
8. Figueiredo B., Cornet F. H., Lamas L., Muralha J. Determination of the stress field in a mountainous granite rock mass. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2014;72:37—48. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2014.07.017.
9. Gushchenko O. I. Kinematic principle of reconstruction of the princi-pal stresses direction (by geological and seismic data). Doklady Akademii nauk SSSR. 1975. Vol. 225, no 3, pp. 56—67. [In Russ].
10. Savchenko S. N. To the problem of estimating the value of horizontal tectonic stresses in the Eurasian litohospheric plate. Problemy razrabotki mestorozhdeniy poleznykh iskopaemykh i osvoeniya podzemnogo prostranstva Severo-Zapada Rossii. Ch. 3 [On the estimation of horizontal tectonic stresses in the Eurasian lithospheric plate. Problems of development of mineral deposits and development of the underground space of the North-West of Russia. Part 3], Apatity, GoI KNTS RAN, 2001, pp. 26—33.
11. Zborshchik M. P., Nazimko V. V. Calculation by the finite element method of stresses and strains around a mine protected in collapsed rocks. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 1980, no 3, pp. 32—36. [In Russ].
12. Vlokh N. P. Upravlenie gornym davleniem na podzemnykh rudnikakh [Control of mining pressure in underground mines], Moscow, Nedra, 1994, 208 p.
13. Zubkov A. V. Geomekhanika i geotekhnologiya [Geomechanics and geotechnology], Ekaterinburg, UrO RAN, 2001, 335 p.
14. Lizunkin V. M., Lizunkin M. V., Sosnovskaya E. L., Beydin A. V. The research of natural stresses in Streltsovsky ore field deposit. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2014, no 4, pp. 207—215. [In Russ].
15. Lizunkin M. V. Determination of initial (natural) voltages rock mass in the Streltsovsky and Antey deposits. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 3, pp. 290— 296. [In Russ].
16. Ovseychuk V. A., Medvedev V. V., Beydin A. V., Podoprigora V. E., Pirogov G. G. Kompleksnaya tekhnologiya otrabotki skal'nykh uranovykh rud s elementami podzemnoy rudopodgotovki [Complex technology of mining urani-um ore rock with elements of underground ore preparation], Chita, ZabGU, 2018, 343 p.
17. Mel'nikov I. V. Mineralogo-geokhimicheskie osobennosti protsessa formirovaniya gidro-termal'nykh uran-molibdenovykh mestorozhdeniy. Geokhimiya protsessov migratsii rudnykh elementov [Mineralogical and geochemical characteristics of the process of forming the hydrothermal uranium and molybdenum deposits. Geokhimiya protsessov migratsii rudnykh elementov], Moscow, Nauka. 1977, pp. 47—64.
18. Ishchukova L. P., Igoshin YU. A., Avdeev B. V. Geologiya Urulyunguevskogo rudnogo rayona i molibden-uranovykh mestorozhdeniy Strel'tsovskogo rudnogo polya [Geology of the Urulyun-guevsky ore region and molybdenum-uranium deposits of the Streltsovsky ore field], Moscow, Geoinformmark, 1998, 526 p.
19. Golubev A. I., Seletskiy A. V. On the selection of soil model for ge-otechnical calculations. Nauchno-prakticheskie i teoreticheskie problemy v geotekhnike: mezhvuzovskiy tematicheskiy sbornik trudov. T. 2 [Scientific-practical and theoretical problems in geotechnics: interuniversity thematic collection of works. Vol. 2], Saint-Petersburg, SPbGASU, 2009, pp. 6—10.
20. Bokiy I. B., Zoteev O. V., Pul V. V., Pul E. K. Selection of basic data for numerical modeling of rock mass stress state at Mirny Mining and Processing Works, Alrosa Group of Companies. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2018, Vol. 134, no 012008. DOI: 10.1088/1755-1315/134/1/012008.
21. Strokova L. A. Opredelyayushchie uravneniya dlya gruntov [Constitutive equation for soils], Tomsk, TPU, 2009, 150 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Бабелло Виктор Анатольевич1 — д-р техн. наук, профессор, Бейдин Алексей Владимирович1 — канд. техн. наук, доцент, e-mail: beydin@mail.ru,
Овсейчук Василий Афанасьевич1 — д-р техн. наук, профессор, e-mail: mks3115637@yandex.ru,
Смолич Сергей Вениаминович1 — канд. техн. наук, доцент, 1 Забайкальский государственный университет. Для контактов: Бейдин А.В., e-mail: beydin@mail.ru.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
V.A. Babello1, Dr. Sci. (Eng.), Professor,
A.V. Beydin1, Cand. Sci. (Eng.), Assistant Professor,
e-mail: beydin@mail.ru,
V.A. Ovseychuk1, Dr. Sci. (Eng.), Professor,
e-mail: mks3115637@yandex.ru,
S.V. Smolich1, Cand. Sci. (Eng.), Assistant Professor,
1 Transbaikal State University, 672039, Chita, Russia.
Corresponding author: A.V. Beydin, e-mail: beydin@mail.ru.
