CC BY
72
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2020;(3-1):188-198 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 622.83 DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-188-198
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ГЕОМЕХАНИКИ
А.Д. Сашурин1, А.А. Панжин1
1 Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН)
Аннотация: Рассмотрена одна из основных задач геомеханики как горной науки, заключающаяся в исследовании деформационных процессов и явлений, происходящих в массиве горных пород и на земной поверхности, для обеспечения эффективного и безопасного недропользования как вида экономической деятельности, а также обеспечения устойчивости и безопасной эксплуатации капитальных подземных и наземных объектов, создаваемых для осуществления недропользования. При этом обращено особое внимание на то, что к объектам недропользования относятся не только капитальные сооружения минерально-сырьевого комплекса, производящего добычу и транспортировку всех видов полезных ископаемых, но и объекты градопромышленных агломераций, транспортные коммуникации, энергетические и водные объекты, высотные сооружения и др., для которых массив горных пород и его земная поверхность являются неотъемлемой инженерно-геологической компонентой. Все эти объекты недропользования подвержены риску потери устойчивости в случае проявления природно-техногенных катастроф, вызванных деформационными процессами в массиве горных пород и на его земной поверхности. Современные достижения геомеханики в исследовании напряженно-деформированного состояния массива горных пород, выявившие дискретность, мозаичность и изменчивость во времени структуры полей напряжений и деформаций, позволили по-новому взглянуть на истоки и причины природно-техногенных катастроф на объектах недропользования и расширить рамки проблем и задач, стоящих перед геомеханикой на современном этапе.
Ключевые слова: геомеханика, безопасность, эффективность, недропользование, месторождение, полезное ископаемое, массив горных пород, иерархическая блочность, геодинамические движения.
Благодарность: Работа выполнена в рамках государственного задания. Тема № 0405— 2019-007, темаЗ (2019—2021).
Для цитирования: Сашурин А.Д., Панжин А.А. Современные проблемы и задачи геомеханики // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 3-1. — С. 188-198. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-188-198.
Current problems and objectives in geomechanics
A.D. Sashurin1, A.A. Panzhin1
1 The Institute of Mining of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences, Russia
Abstract: The authors discuss one of the key objectives of geomechanics as a mining science. It consists on the investigation of deformation processes phenomena in rock mass and ground surface toward safe and efficient subsoil management as a type of economic activity, as well
© А.Д. Сашурин, А.А. Панжин. 2020.
as for safe and sustainable operation of permanent underground and surface facilities of subsoil use. The emphasis is laid on the fact that subsoil facilities are not only the permanent structures meant for mineral mining and haulage but also the city and industry infrastructure, transportation lines, power generation and water bodies, high-rise structures, etc. for which underground rock mass and ground surface are the integral geotechnical component. All these subsoil use facilities are subject to risk of instability in case of natural and man-made disasters caused by deformation processes in rock masse and on ground surface. The current advances of geomechanics in the stress-strain analysis of rock mass, revealing its discreteness, mosaic structure and variability of stress and strain patterns in time, have offered a new insight into the sources and causes of natural and man-made catastrophes at the subsoil use objects and make it possible to push the limits of modern problems and objectives of geomechanics. Key words: geomechanics, safety, efficiency, subsoil use, deposit, mineral, rock mass, hierarchical block structure, geodynamics.
Acknowledgments: the Work was completed within the framework of the state task. Theme # 0405-2019-007, theme 3 (2019-2021).
For citation: Sashurin A.D., Panzhin A.A. Current problems and objectives in geomechanics. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020;(3-1):188-198. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-310-188-198.
Введение
Недропользование, являясь важнейшим источником удовлетворения потребностей современного общества в сырье и материальных ресурсах, играет важную роль в ряде других сфер экономической деятельности. Наряду с извлечением различных полезных ископаемых, недра, а именно массив горных пород верхней части литосферы и земная поверхность, широко используются при создании и эксплуатации объектов градопромышленных агломераций, транспортных коммуникаций, энергетических, высотных и водных объектов и многих других капитальных сооружений, для которых являются неотъемлемой инженерно-геологической компонентой. Эффективность и безопасность горных разработок, а также устойчивость и безопасная эксплуатация других объектов недропользования во многом зависят от деформационных процессов и явлений, вызванных напряженно-деформированным состоянием массива горных пород и его изменениями [1, 2]. Взаимосвязь между напряженно-деформи-
рованным состоянием, безопасностью и эффективностью недропользования становится все теснее и актуальнее с интенсивным ростом масштабов недропользования, усложнением создаваемых сооружений, повышением плотности использования территорий.
Таким образом, в соответствии с основным назначением геомеханики, заключающимся в обеспечении безопасности и эффективности недропользования, требуется изучение закономерностей формирования естественного напряженно-деформированного состояния массива горных пород и его изменений в области влияния объектов недропользования [3, 4].
На начальных этапах развития геомеханики, в соответствии с гипотезой А. Гейма, высказанной в конце девятнадцатого века, массив горных пород рассматривался как сплошная однородная среда, находящаяся в однородном гидростатическом напряженном состоянии, вызванном весом пород. В середине прошлого века экспериментальными исследованиями, наряду с гравитационными, были выявлены дополнительные напряжения, вызванные тектоническими
процессами в земной коре. Простота гипотезы предопределила следование её основным принципам в течение длительного времени. Но упрощенный подход к решению геомеханических задач, основанный на представлении массива горных пород в виде сплошной однородной среды, обладающей усредненными прочностными и деформационными свойствами, с однородным неразрывным полем напряжений и деформаций, не соответствовал реальным условиям и нередко приводил к аварийным ситуациям на объектах недропользования.
Внедрение в практику геомеханических исследований современных технологий спутниковой геодезии позволило глубже раскрыть закономерности формирования полей напряжений и деформаций в массиве горных пород. Современными исследованиями установлено, что, в соответствии с иерархически блочной структурой массива, в нем формируется дискретная, мозаично-неоднородная и переменная во времени структура напряженно-деформированного состояния. В связи с этим, современные проблемы и задачи геомеханики требуют адаптации существующих методов оценки устойчивости и безопасности к реальным геомеханическим и геодинамическим условиям создания и эксплуатации объектов недропользования.
Методы исследования
Обширность процессов и явлений, происходящих при недропользовании, попадающих в круг интересов геомеханики, обуславливает комплексный подход к выполнению исследований. Исходную информацию получают экспериментальными методами в полевых натурных условиях. Последующая ее интерпретация производится с применением теоретических методов, компьютерного моделирования с использованием аппаратов механики сплошной среды.
Одной из основных задач, стоящих перед геомеханикой, открывающей дорогу к обеспечению безопасности всего разнообразия объектов недропользования, является раскрытие истоков и закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния массивов горных пород с их структурными особенностями на разных размерах исследуемых участков. Это стало возможным с внедрением в геомеханику методов и технологий спутниковой геодезии GPS/ГЛО-НАСС. Субмиллиметровая точность измерения вертикальных и горизонтальных смещений, наблюдаемых геодезических знаков, преобразуемых методами механики сплошной среды в поля напряжений и деформаций, возможность проведения непрерывных и дискретных (сериями) наблюдений на различных базах измерения при относительно невысокой трудоемкости открывают широкие перспективы в исследовании структуры полей напряжений и деформаций, их изменений во времени на разных масштабных уровнях.
Исследования проводятся в два этапа с использованием принципа «от общего к частному» [5]. На первом этапе исследования опираются на международные сети станций IGS, EUREF и, в большей мере, на Фундаментальную астрономо-геодезическую сеть (ФАГС). В настоящее время на территории России и в приграничных с ней областях Казахстана, Украины и Беларуси работают несколько сотен постоянно действующих GNSS станций, которые накапливают данные, что позволяет выполнить их высокоточную геодезическую привязку к общемировой сети IGS в режиме цикловых мониторинговых измерений (рис. 1).
Пространственные координаты станций международных геодезических сетей регулярно переопределяются, при этом для ряда станций доступны
Рис. 1. Схема расположения станций Фундаментальной астрономо-геодезической сети на территории Российской федерации
Fig. 1. Layout of stations of the Fundamental astronomical and geodesic network on the territory of the Russian Federation
не только параметры временных рядов современных геодинамических движений, но и скорости смещений станций в трехмерном пространстве [6].
Поскольку расстояния между соседними пунктами ФАГС могут превышать 1000—2000 километров, по их данным проводится укрупненная оценка напряженно-деформированного состояния охватываемого ими района. Конкретизация параметров современных геодинамических движений и формируемого ими напряженно-деформированного состояния на площадках размещения объектов недропользования производится путем сгущения сети мониторинговых станций. Это достигается включением в геодезические измерения и построения пунктов нижних классов вплоть до использования пунктов геодезического обоснования предприятий, населенных пунктов и др. В некоторых случаях возникает необходимость соз-
дания специального геодинамического полигона [7, 8].
Трендовые движения пунктов геодинамического полигона и реперов наблюдательной станции определяются на основе анализа изменений пространственных приращений координат (векторов) ДХ, ДY, Д^ происходящих в промежутках между повторными циклами измерений [9, 10], а цикличные короткопериодные определяются проведением непрерывных измерений [11]. Полученные в результате инструментальных измерений деформации интервалов с использованием математического аппарата механики сплошной среды преобразуются в векторное и тензорное представление деформационного поля с выделением главных компонентов тензора деформаций [12].
Для визуализации результатов инструментальных измерений смещений и деформаций создается векторное поле
горизонтальных перемещений и тензоров горизонтальных деформаций регулярной сети геомеханической модели [13], построенной методом конечных элементов (МКЭ). Узловыми элементами модели МКЭ являются пункты геодинамического полигона и репера наблюдательной станции, для которых определены пространственные перемещения между выполненными повторными циклами измерений.
Результаты исследований
Рассмотренный методологический подход к исследованию напряженно-деформированного состояния массива горных пород для решения геомеханических задач использовался на осваиваемых и эксплуатируемых горных предприятий. На рис. 2 приведен пример укрупненной оценки современной геодинамической активности на территории Воронежского кристаллического массива (ВКМ) Центрального региона России, где проектируется освоение полиметаллических месторождений. Траектории современных геодинамических движений на схеме построены на основе векторов смещений геодезических пунктов.
Второй этап методологического подхода, направленный на детализацию современной геодинамической активности и формирование напряженно-деформированного состояния в районе объектов недропользования, применялся на действующих горных предприятиях с открытой и подземной разработкой месторождений полезных ископаемых.
На рис. 3 представлены векторы современных геодинамических движений на территории хромитового месторождения Казахстана, определенные по смещениям геодезических пунктов локального геодинамического полигона. Исследования проводились для оценки напряженно-деформирован-
ного состояния массива горных пород при строительстве второй очереди подземного рудника.
На рис. 4 приведен также пример результатов исследований второго методологического этапа на территории горного предприятия Казахстана с открытым способом разработки месторождения хризотил-асбеста. Вместе с векторами горизонтальных смещений геодезических пунктов на рис. 4 представлено в виде изолиний поле вертикальных смещений, полученное в результате интерпретации экспериментальных данных о вертикальных смещениях геодезических пунктов.
Обсуждение результатов
Приведенные примеры и результаты многолетних исследований Уральской школы геомехаников [6] свидетельствуют, что реальное напряженно-деформированное состояние на разных масштабных уровнях существенным образом отличается от бытующих представлений о его параметрах и структуре, используемых в современной практике решения геомеханических задач. Вместо однородного неразрывного поля напряженно-деформированного состояния, в реальном иерархически блочном массиве горных пород, находящемся в непрерывном движении под действием современных геодинамических движений, формируется мозаичное, дискретное, изменяющееся во времени поле напряженно-деформированного состояния. Устойчивость и безопасность объекта недропользования в нем зависит от места расположения относительно границ сформировавшихся блоков. На рис. 5 показана трещина в борту карьера, образованная деформациями горизонтального сдвига, обусловленными неоднородностью напряженно-деформированного состояния, представленного на рис. 4.
USMH •
1 ' ' ' 1 ^ 1 ' " ™ . i- - - - , , v - >-
. - - «, ■ - ^
• - v
•NM
\l _ ^ ^ - X , —- -V
. V x V Xх i ,S> Г
Месторождени.' > ^
/ УУ „ ® NHOP _ V
- - -
USK
- V -- fy
Ж S ^
- X ^ Землетрясение
.У, V V
\
!
\t \
1
ALKS
V / ' - ■ > .
l . у . JI . . t
Составил: А.А.Панжин, ИГДУрО РАН, 2019г. t i i
Масштаб плана, километры ч ^ '
0 50 100
Рис. 2. Схема геодезических пунктов Фундаментальной астрономо-геодезической сети в районе ВКМ и траектории современных горизонтальных геодинамических движений
g Fig. 2. Scheme of geodesic points of the Fundamental astronomical and geodesic network in the VCM area and the trajectory of modern horizontal w geodynamic movements
Вектора горизонтальных сдвижений пунктов полигонометрии Составил А.А.Панжин, ИГД УрО РАН
Рис. 3. Векторы горизонтальных современных геодинамических движений в районе хромитового подземного рудника Казахстана за период 1985-2016 гг.
Fig. Ъ. Vectors of horizontal modern geodynamic movements in the area of a chromite underground mine in Kazakhstan for the period 1985—2016
Кинессары
Масштаб г Составил А.А.Панжин, ИГД УрО РАН
Рис. 4. Вектора горизонтальных и изолинии вертикальных современных геодинамических движений в районе месторождения хризотил-
_ асбеста ко
01 Fig. 4. Vectors of horizontal and vertical isolines of modern geodynamic movements in the area of the chrysotile-asbestos Deposit
Рис. 5. Трещина в борту карьера, вызванная горизонтальными деформациями сдвига Fig. 5. Crack in the side of the quarry caused by horizontal shear deformations
В связи с этим, основной современной фундаментальной проблемой геомеханики следует считать изучение закономерностей формирования исходного поля напряженно-деформированного состояния массива горных пород в пространстве и времени. В прикладном плане из результатов решения этой проблемы вытекает множество геомеханических задач оценки состояния конкретных объектов недропользования в этих условиях и разработки мероприятий по обеспечению их устойчивости и безопасности.
Заключение
На протяжении более двухвекового развития и становления науки геоме-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ханики получение реального представления о напряженно-деформированном состоянии массива горных пород являлось фундаментальной проблемой, играющей решающую роль в оценке состояния и обеспечения безопасности объектов недропользования.
Внедрение в практику геомеханических исследований технологий спутниковой геодезии позволило более обоснованно взглянуть на геомеханические процессы и явления на разных масштабных уровнях охвата массива горных пород. Проведенные исследования выявили, что вместо бытовавшей долгое время гипотезы, представляющей структуру поля напряженно-деформированного состояния сплошной и однородной, в реальном массиве горных пород формируется мозаичное, дискретное и изменяющееся во времени поле напряжений и деформаций.
В этих условиях современной актуальнейшей фундаментальной проблемой геомеханики является выявление истоков и закономерностей формирования структуры поля напряженно-деформированного состояния на разных масштабных уровнях. Из решения этой фундаментальной проблемы вытекают множества задач прикладного характера оценки состояния объектов недропользования в условиях мозаичного, дискретного и изменяющегося во времени напряженно-деформированного состояния.
1. Коновалова Ю.П. Исследование цикличных короткопериодных геодинамических деформаций территорий при выборе площадок под строительство атомных станций // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2010. — № 7. — С. 269-274.
2. Коновалова Ю.П. Особенности учета геодинамических факторов при выборе безопасных площадок размещения ответственных объектов недропользования // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 2018. — № 6. — С. 6—17.
3. Балек А.Е. Учет мозаичности напряженно-деформированного состояния массивов скальных горных пород при решении практических задач недропользования // Проблемы недропользования. — 2018. — № 3 (18). — С. 140 — 150.
4. Sashourin A.D. Geomechanics in mining: basic and applied research // Eurasian Mining. - 2012. - № 1. - pp. 17 - 19.
5. Панжин А.А. Исследование геодинамических движений CORS для обоснования методики контроля процесса сдвижения на месторождениях Уральского региона // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2015. - № 1 (49). - С. 22-26.
6. Боярский Э.А., Витушкин Л.Ф., Кауфман М.Б. и др. Национальный отчет Международной ассоциации геодезии Международного геодезического и геофизического союза 2007-2010 // Науки о Земле. - 2011. - № 1. - С. 5-36.
7. Панжин А.А. Пространственно-временной геодинамический мониторинг на объектах недропользования // Горный журнал. - 2012. - № 1. - С. 39-43.
8. Ma X., Zoback M.D. Laboratory experiments simulating poroelastic stress changes associated with depletion and injection in low porosity sedimentary rocks // J. Geophys. Res. Solid Earth. - 2017. - Vol. 122. - pp. 2478 -2503.
9. Shapiro S.A. Fluid-induced seismicity. Cambridge Univ. Press. - 2015. - 276 p.
10 . Doglioni C.A. Classification of induced seismicity // Geoscience Frontiers. - Vol.
9 (2018). - pp. 1903-1909.
11. Fengshan Ma, Haijun Zhao, Yamin Zhang, Jie Guo, Aihua Wei et al. GPS monitoring and analysis of ground movement and deformation induced by transition from open-pit to underground mining // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2012. Vol. 4 (1). pp. 82-87.
12. Мазуров Б.Т. Математическое моделирование при исследовании геодинамики. -Новосибирск: Сибпринт, 2019. - 360 c.
13. Cheng G., Chen C., Li L. et al. Numerical modelling of strata movement at footwall induced by underground mining // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018. Vol. 108. pp. 142-156. EES
REFERENCES
1. Konovalova Ju.P. The study of cyclic short-period geodynamic deformations of territories when choosing sites for the construction of nuclear plants. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2010, no 7, pp. 269-274. [In Russ].
2. Konovalova Ju.P. Features of accounting for geodynamic factors when choosing safe sites for responsible subsoil use facilities. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Gornyy zhurnal. 2018, no 6, pp. 6-17. [In Russ].
3. Balek A.E. Taking into account the mosaic state of the stress-strain state of rock massifs when solving practical problems of subsoil use. Problemy nedropol'zovanija. 2018. no 3 (18), pp. 140-150. [In Russ].
4. Sashourin A.D. Geomechanics in mining: basic and applied research. Eurasian Mining. 2012, no 1, pp. 17 - 19.
5. Panzhin A.A. Study of the geodynamic movements of CORS to justify the methodology for controlling the displacement process in the fields of the Ural region. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova. 2015, no 1 (49), pp. 22-26. [In Russ].
6. Bojarskij Je.A., Vitushkin L.F., Kaufman M.B. et al. National Report of the International Association of Geodesy of the International Geodetic and Geophysical Union 2007-2010. Nauki o Zemle. 2011, no 1, P. С. 5-36. [In Russ].
7. Panzhin A.A. Spatio-temporal geodynamic monitoring at subsurface resources. Gornyj zhurnal. 2012, no 1, pp. 39-43.
8. Ma X., Zoback M.D. Laboratory experiments simulating poroelastic stress changes associated with depletion and injection in low porosity sedimentary rocks. J. Geophys. Res. Solid Earth. 2017;122;2478-2503.
9. Shapiro S.A. FLuid-induced seismicity. Cambridge Univ. Press, 2015, 276 p.
10. DogLioni C.A. Classification of induced seismicity. Geoscience Frontiers. 2018; 9; 1903-1909.
11. Fengshan Ma, Haijun Zhao, Yamin Zhang et aL. GPS monitoring and analysis of ground movement and deformation induced by transition from open-pit to underground mining. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2012;4(1);82-87.
12. Mazurov B.T. Matematicheskoe modeLirovanie pri issLedovanii geodinamiki [Mathematical modeLing in the study of geodynamics]. Novosibirsk, Sibprint, 2019, 360 p.
13. Cheng G., Chen C., Li L. et aL. NumericaL modeLLing of strata movement at footwaLL induced by underground mining. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018. VoL. 108. pp. 142-156.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Сашурин Анатолий Дмитриевич1 — профессор, докт. техн. наук, научный руководитель направления геомеханики, главный научный сотрудник, e-maiL: sashour@igduran.ru, Панжин Андрей Алексеевич1 — канд. техн. наук, ученый секретарь, panzhin@igduran.ru, 1 Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН), 620075 г. Екатеринбург, ГСП-219, Мамина-Сибиряка 58.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Sashurin A.D.1, Professor, Dr. Sci. (Eng.), Geomechanics Research Manager, PrincipaL Researcher, sashour@igd.uran.ru,
Panzhin A.AJ, Cand. Sci. (Eng.), Academic Secretary, panzhin@igduran.ru, 1 The Institute of Mining of the UraL branch of the Russian Academy of Sciences, 620075, Ekaterinburg, Russia.
Получена редакцией 21.11.2019; получена после рецензии 04.02.2020; принята к печати 20.03.2020. Received by the editors 21.11.2019; received after the review 04.02.2020; accepted for printing 20.03.2020.
