CC BY
131
I. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ГЕОМЕХАНИКА INDUSTRIAL SAFETY AND GEOMECHANICS
Г 7 1 к
*
В.Н. Опарин
член-корреспондент РАН, д-р физ.-мат. наук, проф. ИГД СО РАН
УДК 544 + 550.3 + 551 + 622 + 681:624.1
СОВРЕМЕННЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ ГЕОТЕХНИКИ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ МОНИТОРИНГОВЫХ СИСТЕМ ГЕОМЕХАНИКО-ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НА ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Статья посвящена современным достижениям нелинейной геомеханики, приведены методологические основы для создания многослойной геоинформационно-мониторинговой системы «Геомеханико-геодинамической безопасности России». Рассматривается понятие о канонической шкале структурно-иерархических представлений горных пород и их массивов. Рассматривается явление знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия, волны маятникового типа в напряженных геосредах, явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок и процесс самоорганизации в закладочных массивах.
Работа выполнена в рамках реализации партнерского интеграционного проекта СО РАН № 100 и проекта ОНЗ РАН-3.1.
Ключевые слова: ГЕОМЕХАНИКА, ГЕОДИНАМИКА, МОНИТОРИНГ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ГЕОИНФОРМАТИКА, ГОРНЫЙ МАССИВ, ВЗАИМОСВЯЗЬ, ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Введение
Динамика развития горнодобывающего комплекса в России и в мире за минувшее столетие привела к качественно новой ситуации, когда «локальные» ческие поля, индуцируемые техногенной деятельностью человека, уже не являются пренебрежимо малыми в сравнении с глобальными геодинамическими полями тектонически активной Земли, в том числе и самой верхней ее оболочки [1, 2]. Следовательно, рассматривая шахты и рудники как уникальные природные лаборатории, широко представленные по поверхности континентов земного шара, где можно детально исследовать во взаимосвязи геомеханические и геодинамические процессы инструментальными горно-геофизическими и спутниковыми геодезическими методами, есте-
ственной представляется идея «синхронизации» и «геообъектной привязки» геомеханической информации к глобальной геофизической и геодезической. В России она в значительной мере представлена «Федеральной системой сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений», находящейся под эгидой Геофизической службы РАН и МЧС России [3].
В качестве методологической основы для создания многослойной геоинформационно-мониторинговой системы «Геомеханико-геодина-мической безопасности России», состоящей из трех базовых геоинформационных слоев (подземного, наземного и надземного) могут служить следующие важнейшие положения, установленные экспериментально [1 - 5]:
- основными свойствами геосреды являются ее блочно-иерархическое строение и
постоянное колебательное движение структурных элементов горного массива. Экспериментальные наблюдения свидетельствуют о практически повсеместной распространенности разнопериодных циклических вертикальных и горизонтальных движений геоблоков разного масштабного уровня;
- 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 массооб-менных процессов в межблоковых трещинных пространствах и ярко выраженном проявлении эффекта аномально высокой тензочувствитель-ности геофизических полей в зонах сопряжения геоблоков по всей их иерархии;
- основными энергетическими источниками движения структурных элементов геосреды и ее геосфер в целом являются тепло недр Земли (тектонические силы), гравитационные приливы от планет Солнечной системы, атмосферное давление и техногенная деятельность человека.
Отмеченные положения - непременное условие, обеспечивающее взаимосвязь энерго- и массообменных процессов между геосферами Земли, а также космическим пространством. Наиболее ярко выражена эта взаимосвязь в тектонически активных зонах (горно-складчатых системах) нашей планеты. С ними, нередко, ассоциированы и места локализации крупных месторождений полезных ископаемых.
Минувшее десятилетие ознаменовалось также крупными достижениями в области нелинейной геомеханики, разработки специализированных геоинформационных продуктов [9 - 11] и создания новых измерительно-вычислительных комплексов приборов и оборудования для мониторинга напряженно-деформированного состояния породных массивов, особенно для областей с сильными техногенными воздействиями ведением горных работ [6 - 8].
В этой связи автор ограничился упоминанием лишь трех крупных научных результатов из области нелинейной геомеханики и геофизики, которые явились в известной мере основополагающими для цикла экспериментально-теоретических исследований [1 - 7] по формированию ряда ключевых элементов для будущей многослойной геоинформационной системы «Геоме-ханико-геодинамической безопасности России», а в перспективе - и мира.
Эти открытия, условно, можно отнести к описанию нелинейных динамических процессов в геосредах со структурой (явление знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия) и нелинейных квазистатических процессов в массивах горных пород (явление зональной дезинтеграции горных пород), связанных «самоорганизующимися» системами.
Оба из отмеченных геомеханических эффектов связаны с блочно-иерархическим строением геоматериалов и массивов горных пород, которым дано каноническое описание в [12]. Последнее является принципиально важным для количественного построения соответствующих геомеханических моделей геосред.
Упоминание лишь этих трех, в достаточной мере универсальных, геомеханических результатов для высоконапряженных массивов горных пород обусловлено наличием у них необходимого конструктивного потенциала не только для выделения «иерархической соподчиненности» множества наблюдаемых в натурных условиях физических эффектов с позиции причинно-следственных связей, но и для выбора «независимых» (взаимно-дополняющих друг друга) методов измерения и количества контролируемых параметров относительно катастрофических событий, по-видимому достаточных для надежного прогноза по их месту и времени проявления, а также генезиса (природные, техногенные, «триг-герные» или смешанного типа). О канонической шкале структурно-иерархических представлений горных пород и их массивов. Геомеханические «инварианты»
На рубеже минувшего ХХ-го и наступившего ХХ1-го столетий произошло важное для естествоиспытателей событие - понимание того, что в основе развития нелинейных геомеханических и геодинамических процессов лежит блочно-иерархическое строение массивов горных пород. На это обстоятельство, пожалуй, впервые особое внимание было обращено в работах академика М.А. Садовского и его учеников из Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта АН СССР, а также коллективом ученых Института горного дела СО АН СССР, существенно развивших базовые представления академика М. А. Садовского о блочно-иерархическом строении объектов геосреды в широком диапазоне их линейных размеров. Практически, речь идет о диапазоне линейных размеров от атомарных и до космических масштабных уровней [12].
Еще сравнительно недавно при описании деформирования массивов горных пород
под воздействием естественных либо техногенных возмущений геосреда моделировалась в виде однородного изотропного континуума. Для получения количественных соотношений о напряженно-деформированном состоянии горных пород и описания геомеханических и геодинамических процессов использовался математический аппарат механики сплошных сред. На известном этапе развития науки о природе и характере протекания процессов, происходящих в массивах горных пород под воздействием естественных и антропогенных факторов, такой подход к их описанию был вполне естественным и в достаточной мере удовлетворял исследователей и практиков.
Однако, с развитием экспериментальных методов геомеханики и геофизики стали множиться факты, для объяснения которых необходимо было учитывать, что реальные массивы горных пород на самом деле представляют собой сложно построенные среды, расчлененные поверхностями и зонами ослабления на отдельные блоки различного масштабного уровня. В настоящее время для количественного описания этой реальности активно разрабатывается кластерный подход, основанный на существовании канонических рядов структурных отдельностей и сопряженных с ними амплитудно-периодных спектров геофизических и геомеханических полей (спектроскопический подход) [12].
Обобщение результатов исследований в этом важном направлении количественного описания блочно-иерархического строения массивов горных пород дано в недавно вышедшей в свет фундаментальной монографии [12], в которой представлены в систематизированном виде результаты многолетних исследований, посвященных поиску формализованных связей как для количественного описания собственно блоч-но-иерархического строения массивов горных пород и геоматериалов, так и обусловленности им физико-механических свойств различных типов горных пород в процессах разрушения.
В [12] закладываются научные основы для развития нового направления в горных науках - горного породоведения, связанного с построением классификаций горных пород и их массивов по физико-механическим свойствам в канонических шкалах. Теоретические положения новых классификаций горных пород базируются на общности закономерностей самоорганизации геовещества на разных масштабных уровнях в процессах его дезинтеграции и кластеризации.
Основываясь на установленных закономерностях, впервые предложены аналитиче-
ские зависимости для построения классификаций горных пород по размерам естественных отдельностей. Их особенность заключается в ориентированности на генетические типы пород, что обусловлено огромным опытом, накопленным геологами. Этот опыт свидетельствует
0 том, что каждый генетически одинаково организовавшийся тип породы представлен естественными отдельностями (кристаллы, обломки, зёрна, кристаллиты и пр.), размеры которых находятся в известных пределах (от минимальных до максимальных). Так как часто возникает необходимость построения узко ориентированных (частных) классификаций не только по основным генетическим типам горных пород, но и по их специфическим разновидностям, то для сопоставимости, как оказывается, частные классификации можно привести к инвариантной шкале. Это позволяет определить место различных горных пород в иерархически организованных процессах кластеризации геовещества, опираясь на достаточно универсальный закон «квантования» структурных отдельностей [13]:
где 4о-2,5-106м, / целые числа (положительные или отрицательные - порядок размерностей);
Указанная в (1) связь несёт глубокий методологический смысл, заслуживающий дальнейших исследований не только на экспериментально-статистическом уровне, но и с привлечением методов энергетического анализа. Актуальность этого направления исследований несомненна ввиду очевидной его методологической и практической важности как в решении прямых и обратных задач литологии, так и для решения геомеханических и геотехнологических задач по добыче и переработке полезных ископаемых.
Важно, что установленная закономерность (1), проявляющаяся в блочно-иерархиче-ском строении горных пород и массивов, одновременно отражает их прочностные свойства. Это стало основанием для введения новых классификаций горных пород в канонических шкалах1 по пределам прочности при одноосном сжатии и растяжении, контактной и агрегатной прочности. Такие классификации получены как для горных пород в целом (т.е. без акцента на их разновидности), так и для основных генотипов пород углевмещающей толщи Кузбасса. Раз-
1 В отличие от обычно используемых в естественных науках логарифмических представлений с основаниями 10, 2 или е, здесь используются безразмерные представления с применением логарифмов с основанием
работанная при этом методика позволяет осуществлять приведение частных однопараметри-ческих шкал по прочностным свойствам горных пород к инвариантной шкале. Физические причины, обусловившие расположение частных шкал по прочностным свойствам в различных интервалах инвариантной шкалы, требуют дальнейших исследований.
Развиваемый в [12] методический подход к решению проблемы количественного отображения зависимости горнотехнологических свойств горных пород от совокупности физико-механических основывается на канонической закономерности распределения прочностных свойств, используемой авторами для построения одно-параметрических классификаций. Это позволило впервые получить классификации, в которых отражено совокупное влияние физико-механических свойств горных пород на процессы разрушения по их сопротивляемости разрушению (близкий аналог классификации проф. М. М. Протодьяконова и акад. В. В. Ржевского); водо-прочности основных генотипов пород Кузбасса; абразивной способности горных пород; прочности породного массива; сопротивляемости горных пород бурению.
Выполненный комплекс исследований создает теоретические основы построения классификаций горных пород, в существенной мере исключающий элементы субъективизма при их построении.
Это фундаментальное направление исследований во многом связано с открытием явления зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок [13]. Оно свидетельствует о наличии своеобразного закона «квантования геомеханической энергии» при образовании подземных выработок (полостей) в условиях больших глубин с коэффициентами «подобия» относительно их начального радиуса г0 в виде г0 (^2)", где п - целые числа, а также сопряженного канонического ряда структурных отдельностей (1).
Важно, что при этом установлена и статистически инвариантная связь между «раскрытием» (среднее расстояние между берегами) трещин (8) в горных массивах и диаметрами отделяемых ими геоблоков Ц) различного иерархического уровня /':
Эта характеристика является весьма важной для оценки «меры подвижности» v/8) структурных элементов (блоков) в стесненных условиях массивов горных пород и, фактически,
сопряжена С^/8):
^05) = сю-2 - ю-1) ■ ^(¿г (3)
поскольку отделяющие геоблоки трещины всегда частично заполнены газом, жидкостью или более мелким фрагментированным твёрдым веществом. Для реальных массивов горных пород достаточно часто можно использовать упрощенную связь: ^ ^^ ^
Явление знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия и волны маятникового типа в напряженных геосредах [4, 5]
Эти открытия стали этапными в создании экспериментально-теоретических основ нелинейной геомеханики и геофизики и связаны с работами ученых из ИГД СО АН СССР и ИФЗ им. О.Ю. Шмидта АН СССР (Спецсектор), выполнивших большой комплекс экспериментальных исследований по изучению особенностей механического последствия взрывов разной мощности - от обычных взрывов для ведения горных работ при отработке месторождений твердых полезных ископаемых и до ядерных, что позволило вначале установить неизвестное ранее явление знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия [14].
Суть данного явления заключается в том, что при образовании полостей внутри массивов горных пород посредством мощных взрывов в их окрестностях происходят смещения разных знаков между геоблоками с колебательным движением друг относительно друга, обусловленные стесненным поворотом и трансляционным движением породных блоков разного иерархического уровня, зависящего от размеров образующихся полостей, горного давления и энергии взрывов.
Эта, на первый взгляд, простая формулировка результата привела к постановке принципиально новых задач для последующих теоретических, экспериментальных и прикладных исследований [4, 5].
В частности, была выдвинута гипотеза о возможности существования в массивах горных пород нелинейных упругих волн маятникового типа, носителями которых являются не абстрактные математические «элементарные объёмы», но реальные структурные элементы геологического вещества в приближении «абсолютно твёрдых тел» [15]. Для их регистрации (рис. 1, 2) и теоретического анализа в последнее десятилетие ведутся исследования и разработки в ряде институтов СО РАН в рамках интеграционных проектов [6 - 8].
9
'О
1 — —1
....._.........
----—-------— 1
Ой-
100
2« 300 «а 500
О й
2.0 3.5 5 0
6 5
ВМ2
вмз
13 ГЛ4
ВМ5
СИ'
ЙггчиВШ
3 ПШ
■ о ^ ■
г 1
1
' Дич* Ш2
| сое -
100
ЗМ ад 5С0
-0^1- ■ ----
Л 100 НО 300
J
?0С
ою-
V •
ИГ
оо*
им л» зда^омо
ДгмгМв
Рисунок 1 - Графики смещения датчиков по скважине В от горного толчка
Существенной особенностью знакопеременной реакции горных пород на мощные взрывные воздействия в геосредах стало их «дальнодействие»: локальные механические проявления необратимого характера, как оказалось, происходят до расстояния (8 - 10)^, где R - радиус зоны взрывного разрушения породы.
Иными словами, в результате проведения многочисленных экспериментов было установлено, что процесс деформирования массива горных пород имеет ярко выраженный неоднородный характер: деформации локализуются на поверхностях и в областях ослабления массива, а структурные блоки движутся в значительной мере независимо. При этом движение блоков имеет знакопеременный характер по трансляционным и вращательным компонентам.
Обнаружение явления знакопеременной реакции горных пород на динамические воздей-
Рисунок 2 - Скорость распространения маятниковой волны в окрестности подземной выработки
ствия явилось экспериментальным доказательством того, что большая доля энергии взрывов расходуется не только на дробление породного массива в очаговой зоне и её непосредственной окрестности, но и передаётся в виде кинетической энергии структурным элементам напряженной геосреды [8, 16].
В работах [14, 16] показано, что нелинейные упругие волны маятникового типа обладают чрезвычайно широким скоростным диапазоном своего распространения в массивах горных пород и непосредственно зависят как от напряженно-деформированного состояния последних, так и их блочно-иерархического строения. Устанавливается также прямая зависимость скоростных характеристик этого типа волн от мощности источника их возмущения, а также возможность существования т.н. «геомеханических волноводов». Эти возможности, безусловно, необходимо использовать в построении новых мониторинговых систем.
В качестве примера [16], можно отметить, что в ИГД СО РАН создана и запущена в эксплуатацию не имеющая аналогов в России многоканальная измерительная система «Карьер» для контроля геомеханического состояния бортов глубоких карьеров алмазоносных трубок Якутии (рис. 3). Входящий в состав системы «Карьер» измерительно-вычислительный комплекс со специально созданными деформационно-волновыми датчиками и с радиоканалом дистанционной передачи информации в Центр ее сбора (ЦСИ) позволяют решать задачи по оценке устойчивости прибортовых зон глубоких карьеров в экстремальных природно-климатических условиях Сибири и Крайнего Севера. В настоящее время система в составе двух измерительно-вычислительных комплексов проходит опытную эксплуатацию в режиме мониторинга на трубке «Удачная» (Якутия). Явление зональной дезинтеграции горных пород и процессы самоорганизации в породных массивах В монографии [17] представлены основ-
10
(5)
(2)
ДЯТ'ешс П (6)
■ ^^и
1 1. V1 1
в ^явя
т5й
20,5 21.0 21.5 22,0 -23» м*—56— = время сек
Рисунок 3 - Система мониторинга геомеханического состояния бортовых откосов «Карьер» на глубоком карьере «Удачный»: (1) - карьер; (2) - датчик деформаций; (3) - схема экспериментов по измерению динамического воздействия от технологических взрывов на дне карьера; (4) - схема ретрансляционной передачи информации по радиоканалу; (5) - контролируемый уступ карьера; (6) - фрагмент динамической реакции блочной среды по одному из датчиков деформаций, находящемуся в контролируемой трещине
ные достижения в области исследования особенностей формирования напряженно-деформированного состояния (НДС) горных пород вокруг подземных выработок при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах, в первую очередь на примере полиметаллических рудников Талнахско-Октябрьского месторождения (г. Норильск, Россия).
Ключевая роль в понимании этих, нелинейных в своей основе, процессов принадлежит явлению зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок [18], зарегистрированному в начале 90-х годов минувшего века в СССР как научное открытие № 400 СССР [19].
Речь идет об открытии своеобразного «эффекта квантования упругой энергии» вокруг подземных полостей при их образовании на глубинах, где достигаются условия близости или превышения действующего уровня горного давления относительно предельно-прочностных свойств горных пород.
Открытие этого явления дало мощный импульс исследованиям в этом направлении для широкого спектра горно-геологических условий отработки месторождений полезных ископаемых: не только рудных, но и нерудных, в том числе угольных [20 - 23] и даже нефтегазовых [24].
Большой шаг сделан и в области разработки теоретических основ описания явления
зональной дезинтеграции [17, 25 - 27], что само по себе имеет принципиальную значимость. В этом аспекте следует особо отметить цикл исследований, выполненных китайскими учеными [28 - 30].
Как известно, уголь играет особую роль в развитии энергетического и химико-технологического комплекса современной цивилизации. В этом отношении Кузбасс играет исключительно большую роль благодаря большим запасам высокомарочных углей. За более чем вековую историю освоения в этом регионе угольных запасов в настоящее время все более актуальными становятся проблемы не только безопасности ведения горных работ на более глубоких горизонтах залегания высокого качества углей, но и экологические проблемы из-за изменения гидрогеологического режима в районах ведения горных работ открытым и подземным способами.
Более явно проявляют себя крупномасштабные деформационные процессы, развивающиеся на протяжении многих десятилетий вокруг отработанных шахтных полей в подземных условиях, либо «законсервированных» на неопределенное время из-за убыточности отработки угольных шахт региона в современных экономических условиях ведения хозяйства в стране. Выход на поверхность Земли зон локализации
деформаций от сдвижения подработанных толщ массивов горных пород приводит в результате к трудно контролируемым ныне процессам самовозгорания и последующего горения, в том числе оставляемых по разным причинам не извлекаемых запасов угля.
Нередкими и учащающимися становятся случаи выхода глубинного метана по формирующимся зонам локализации деформаций от ведения подземных горных работ на поверхность земли, сопровождающиеся возникновением пока локального возгорания метана в пределах некоторых поселений Кемеровской области. Поскольку Кузнецкий угольный бассейн находится в тектонически активной зоне Алтае-Саянской складчатой области, то длительные процессы самоорганизации в пределах многочисленных шахтных полей этого бассейна приводят в результате к возникновению новых волноводных структур для распространения сейсмических волн от землетрясений и технологических взрывов на карьерах, иногда трудно различимых по своему генезису.
В этой связи хотелось бы особо отметить большой цикл экспериментально-теоретических
(а)
исследований, проведенных на угольных месторождениях под руководством профессора Г. Я. Полевщикова [21 - 23]. Так, Геннадием Яковлевичем совместно с сотрудниками на примере отработки угольных шахт Кузбасса экспериментально была установлена связь между развитием крупномасштабных зонально-дезинте-грационных процессов в продуктивных пластах и вмещающих породных массивах, и пространственной локализацией сопутствующих газодинамических событий (рис. 4, 5).
Ключевая роль в количественном описании установленной связи принадлежит масштабному фактору явления зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок по В.Н. Опарину (гп/гп1= V2, " - целые числа (0,1,2...); для угольных пластов г- длины выработанного пространства при отработке выемочных столбов, сопряженных с положением / зоны дезинтеграции массивов). Аналогичная связь отмечена и в соответствующей «периодичности» возникновения зон концентрации повышенного и пониженного давления в стойках механизированных крепей при отработке угольных пластов Кузбасса.
га
е
I, м-7мин
ГС
га
I
= о .
Е о га
8 2 ^
ю Е и
га § га
8 ° I
5 О £
(б)
10
ц. ЗМй 9 ф
**
г* ТР
200
400
600
800
1000 1200 Ьв,м 1600
Отход лааы от монтажной камеры, м Рисунок 4 - Изменение опорного давления в пласте (о), где (а) - зависимость опорного давления от расстояния (Ь) от очистного забоя; (б) - динамика изменения метанообильности выемочного участка (Ь =240 м; Н=150-
250 м) по Г.Я. Полевщикову
Рисунок 5 - Метановыделение в забое штрека, проводимого по верхнему из сближенных пластов IV - V при наличии породного междупластья (Кузбасс) по Г.Я. Полевщикову
д. м'/мин 22 20 1К 16 14 12 10 В 6 4 2 0
1
^ - у Г Ч \
✓ \ л
■ / / \ЯоВ * •
■ / / ' А /1. \ N ■
\ ' ■ у \ Ядаи / V \ 1 л
ч / 1 * А ' \ / и V. V
Л • Л у * 1\ 1 / \ \ % л \ ^ ч
АД " 11V £ к »((Лп ^ I" \ Ж Т 1 К -1- [М\ * N 1 ' ' 1 - .4 г
£ и&г- я"™ [ ! 14 И
—ч ¡Г А I *г ■ -и-г
50 10(1 Май
150 2 00 250 300 350 : 4Ш
Тектоническое
Июнь
нарушение
450 Июль
500
550 Цм Август
650
Отмеченные крупномасштабные процессы самоорганизации рудных и угольных массивов горных пород являются принципиально значимыми для интерпретации комплексных геомеханических, геофизических и иных данных в перспективных мониторинговых системах гео-механико-геодинамической безопасности горнопромышленных систем. Возможность их количественного (канонического) описания в рамках развития зонально-дезинтеграционных процессов различного масштабного уровня дает важный конструктив как для ретроспективного анализа имеющейся разноплановой информации, так и для построения прогнозных оценок развития сложных геомеханических процессов [32]. Здесь ключевая роль принадлежит масштабному фактору явления зональной дезинтеграции для массивов горных пород вокруг отрабатываемых пространств.
Выводы.
Таким образом, наметилась четкая тенденция по сближению и активному взаимодействию специалистов, разрабатывающих измерительные системы мониторинга и приборные комплексы горно-геофизического и геомеханического направлений. Основными факторами, способствующими такому сближению, стали новые открытия в области нелинейной геомеханики и геофизики, связанные с блочно-иерархическим строением массивов горных пород и геоматериалов, выделением групп медленных волн деформаций (волны маятникового типа), динами-
ко-кинематические характеристики которых несут непосредственно информацию о напряженно-деформационном состоянии породных массивов и энергетических параметрах источников их излучения.
Реализованный объем научных исследований и технических разработок, несомненно, является крупным вкладом в развитие экспериментально-теоретических основ нелинейной геомеханики и геофизики, создавая соответствующие предпосылки для построения новых (прежде всего сейсмо-деформационно-электромагнитных) систем комплексного мониторинга горных ударов и техногенных землетрясений на рудниках и шахтах России. Обеспечение их геоинформационной сопряженности и совместимости с ныне действующей Федеральной системой сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений России - залог успешного решения сформулированной в [4, 5] проблемы необходимости создания многослойной мониторинговой системы «Геомеханико-гео-динамической безопасности России и мира». В этом нами видится и мощный конструктивный потенциал для укрепления научно-практического взаимодействия между геофизиками, геомеханиками и горняками при обеспечении стратегии освоения месторождений полезных ископаемых в ныне усиливающейся в мире тенденции перехода ведения горных работ на глубокие горизонты.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Опарин, В.Н. Современная геодинамика массива горных пород верхней части литосферы: истоки, параметры, воздействие на объекты недропользования/ В.Н. Опарин [и др.] - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. - 450 с.
2. Опарин, В.Н. Землетрясения, горные удары, внезапные выбросы породы, угля и газа: механизмы формирования и критерии прогнозирования катастрофических событий / В.Н. Опарин, А.В. Леонтьев // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2011. - т. I. - с.21 - 48.
3. Федеральная система сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений: информационно-аналитический бюллетень. Специальный выпуск. М.: МЧС России, 1995. - Т. 2, № 1,- 112 с.
4. Адушкин В.В., Опарин В.Н. От явления знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия - к волнам маятникового типа в напряженных геосредах. Ч. I / В.В. Адушкин, В.Н. Опарин // ФТПРПИ. - 2012. - № 2. - С. 3 - 27.
5. Адушкин В.В. От явления знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия - к волнам маятникового типа в напряженных геосредах. Ч. II / В.В. Адушкин, В.Н. Опарин // ФТПРПИ. - 2013. - № 2. - С. 3 - 46.
6. Опарин В.Н. Методы и измерительные приборы для моделирования и натурных исследований нелинейных деформационно-волновых процессов в блочных массивах горных пород / В.Н. Опарин [и др.]. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. - 320 с.
7. Опарин В.Н. Методы и системы сейсмо-деформационного мониторинга техногенных землетрясений и горных ударов / В.Н. Опарин [и др.]. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. - Том 1. - 304 с.
8. Опарин, В.Н. Методы и системы сейсмо-деформационного мониторинга техногенных землетрясений и горных ударов / В.Н. Опарин [и др.]. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010. -Том 2. - 261 с.
9. Потапов, В.П. Интеграция пространственных геоданных и распределенных вычислительных модулей для решения горно-технологических задач / В. П. Потапов, С.Е. Попов // Геоинформатика. - 2007.
- № 3.
10. Опарин, В.Н. К вопросу формирования информационной геомеханической модели строения Кузнецкого угольного бассейна / В.Н. Опарин [и др.] // ФТПРПИ. - 2006. - № 3. - С. 27 - 49.
11. Потапов, В.П. Математическое и информационное моделирование геосистем угольных предприятий / В.П. Потапов - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. - 211 с.
12. Опарин, В. Н. Каноническая шкала иерархических представлений в горном породоведении / В.Н. Опарин, А. С. Танайно - Новосибирск: Наука, 2011. - 259 с.
13. Курленя, М.В. Проблемы нелинейной геомеханики. Ч. I / М.В. Курленя, В.Н. Опарин // ФТПРПИ.
- 1999. - № 3. - С. 12 - 26.
14. Курленя, М.В. Проблемы нелинейной геомеханики. Ч. II / М.В. Курленя, В.Н. Опарин // ФТПРПИ.
- 2000. - № 4. - С. 3 - 26.
15. Курленя, М.В. О формировании упругих волновых пакетов при импульсном возбуждении блочных сред. Волны маятникового типа и / М.В. Курленя, В.Н. Опарин, В.И. Востриков // ДАН. - 1993. - т. 333, № 4. - С.515 - 521. "
16. Опарин, В.Н. Деструкция земной коры и процессы самоорганизации в областях сильного техногенного воздействия / В.Н. Опарин [и др.]. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. - 632 с.
17. Опарин, В.Н. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок. / В.Н. Опарин [и др.].- Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. - 278 с.
18. Шемякин, Е.И. Эффект зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок / Е.И. Шемякин [и др.] // ДАН СССР. - 1986. - т. 289, № 5. - С. 1088 - 1094.
19. Шемякин, Е.И. Открытие № 400 СССР. Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок / Е.И. Шемякин [и др.]. // БИ. - 1992. - № 1. - С. 3.
20. Ягунов, А.С. Динамика деформаций в подрабатываемом горном массиве / А.С. Ягунов - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2010. - 239 с.
21. Полевщиков, Г.Я. Газогеомеханические процессы при проведении подготовительных выработок / Г.Я. Полевщиков, М.С. Плаксин // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - Кемерово, 2010.
22. Полевщиков, Г.Я. Влияние сдвижений прочных вмещающих пород на динамику метанообиль-ности выемочного участка / Г.Я. Полевщиков, Н.Ю. Назаров // ГИАБ. - 2001. - № 5. - С. 121 - 127.
23. Полевщиков, Г.Я. Газокинетический паттерн разрабатываемого массива горных пород / Г.Я. По-
14
левщиков, Е.Н. Козырева // ГИАБ. - 2002. - № 11. - С. 117 - 120.
24. Опарин, В.Н. О нелинейных деформационно-волновых процессах в виброволновых геотехнологиях освоения нефтегазовых месторождений / В.Н. Опарин, Б.Ф. Симонов // ФТПРПИ. - 2010. - № 2. - С. 3 - 25.
25. Одинцев, В.Н. Отрывные разрушения массива скальных пород/ В.Н. Одинцев - М.: ИПКОН РАН, 1996. - 166 с.
26. Гузев, М.А. Неевклидова модель зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок / М.А. Гузев, А.А. Парошин // ПМТФ. - 2000. - № 3. - С. 181 - 195.
27. Гузев, М.А. Деформирование и разрушение сильно сжатых горных пород вокруг выработок / М.А. Гузев, В.В. Макаров // Владивосток: Дальнаука, 2007. - 232 с.
28. Ван Ксю-бин. Численное моделирование механизма пространственной локализации деформации в процессе зональной дезинтеграции / Ван Ксю-бин, Пан И-Шан, Чжан Чжи-хуэй // ФТПРПИ. - 2013.
- № 3. - С. 21 - 32.
29. Циопин Чжоу. Неевклидова модель разрушения глубокозалегающего породного массива в условиях несовместной деформации / Циопин Чжоу, Циц Цянь, Кс. П. Чжоу, Кв. Х. Цянь // ФТПРПИ. - 2013.
- № 3. - С. 33 - 41.
30. Циху Цян. Влияние горизонтальных напряжений на явление зональной дезинтеграции горных пород в массиве с выработкой круглого сечения / Циху Цян, Чжу Ксяопин, Кси Еньшин // ФТПРПИ. -2012. - № 2. - С. 88 - 97.
31. Полевщиков, Г.Я. Газодинамическая активность угольных пластов и зональная дезинтеграция массива горных пород при ведении подготовительных выработок / Г.Я. Полевщиков, М.С. Плаксин // Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах: тр. 2-й Рос.-Кит. науч. конф. — Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012. - С. 83 - 89.
32. Опарин, В.Н. Геомеханические и технические основы увеличения нефтеотдачи пластов в виброволновых технологиях / В.Н. Опарин [и др.] - Новосибирск: Наука, 2010. - 404 с.
MODERN ACHIEVEMENTS Опарин Виктор Николаевич
OF NONLINEAR GEOMECHANICS e-mail: [email protected]
AND METHODOLOGICAL BASIS FOR GEOMECHANICAL - GEODYNAMICAL SAFETY MONITORING SYSTEM CONSTRUCTION AT MINING ENTERPRISES
Oparin V.N.
The article is devoted to modern achievements of nonlinear geomechanics, methodological basis for construction of multilevel geoinformational monitoring system of «Geomechanical -geodynamical safety of Russia» are brought. The concept about canonical scale of structural-hierarchical presentation of mine rocks and their masses is reviewed. Phenomenon of alternating reactions of rocks on the dynamic effects, pendulum-type waves in tensed geoenvironments, phenomenon of zonal disintegration of rocks around underground openings and the process of self-organization in the filling massif are reviewed. The work is done within the frames of implementation of partnership integration project No. 100 of RASc SB and project ON3 RASc-3.1.
Key words: GEOMECHANICS, GEODYNAMICS, MONITORING, SAFETY, GEOINFORMATICS, ROCK MASSIF, INTERCONNECTION, PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES
научно-технический журнал № 1-2015
ВЕСТНИК
