Напряженно-деформированное состояние вне зоны влияния очистных работ

© Н.И. Синкевич, 2003

УЛК 622.83

Н.И. Синкевич

НАПРЯЖЕННО-АЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ВНЕ ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ

Сложность геологического

строения, обусловлена большим количеством разрывных тектонических нарушений, разломов и даек, предопределяет крайнюю неоднородность аномального поля напряжений в нетронутом массиве, даже в пределах соседних структурных блоков. Породы и магнетитовые руды месторождения обладают высокой прочностью (120-200 МПа) и способностью накопления потенциальной энергии упругого деформирования.

Характерная особенность Таштагольского месторождения -проявление горного давления в динамической форме (горные и горно-тектонические удары) на глубине 480-830 м от дневной поверхности.

Исследованиями была установлена причина возникновения удароопасной ситуации на больших глубинах, которая заключается в совместном влиянии техногенных и естественных природных факторов, основными из которых являются блочность строения месторождений, параметры аномального (природного) поля напряжений в горном массиве, которые, в свою очередь, определяют параметры техногенной напряженности массива в районах ведения горных работ и горный рельеф местности.

С изменением горнотехнической ситуации (значительное увеличение площадей выработанного пространства, увеличение глубины разработки на севере и на юге, подготовительно-нарезные работы на вышележащих гор. +70, ±0, -70 м) постепенно стало меняться выявленное ранее взаимодействие возмущающих факторов и реакция на них массива, которая и фиксировалась сейсмоакустической

станцией и экспериментально-унифициро-ванным комплексом приборов и оборудования УК-«Тензор». В связи с этим, производилась необходимая корректировка критериев оценки напряженности и удароопасности по результатам исследований, проведенных автором (табл. 1).

Результаты натурных измерений аномального поля напряжений показали, что в нетронутом горном массиве, прилегающему к разлому, горизонтальные напряжения на пяти горизонтах возрастают по линейной зависимости, главные оси составляют ст1 = -25,0 + -68,3 МПа (по простиранию), ст2 = -15,8 + -41,8 МПа (вкрест простирания), величину

у*Н с -11,3 до -24,2 МПа находится в пределах доверительного интервала, составляющего +14 МПа при вероятности 0,90.

Кроме того, проанализированы фактические данные о динамических проявлениях горного давления и их взаимосвязь с системами разработки, интенсивного ведения горных работ, увеличения площадей выработанного пространства и сделана попытка увязать с перечисленными факторами результаты сейсмоакустических наблюдений. Многофакторность последовательных тектонических процессов определяет неоднородность реальной геологической среды, представленной ранговой системой геологических блоков. Их взаимодействие обуславливает существование в литосфере неравнокомпонентных аномальных полей напряжений различных рангов, соответствующей иерархии тектонических систем. С другой стороны, изменчивость напряженного состояния является отражени-

Таблица 1

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ АНОМАЛЬНОГО ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ В НЕТРОНУТОМ ГОРНОМ МАССИВЕ ТАШТАГОЛЬСКОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Место измерения, горизонт, глубина Вычисляемые параметры

СТь МПа (по простиранию) СТг, МПа (вкрест простирания) СТ3, МПа (вертикальная составляющая) Азимут А, град.

Гор. +70 м, Юго- -37,7 -15,9 -10,2 В преде-

восточный штрек -35,3 -10,7 -8,2 лах 344

Н = 480 м -47,6 -14,5 -12,8

-31,3 -15,9 -12,7

-28,9 -22,2 -12,6

Гор. ±0 м, УПП -24,5 -24,3 -10,4 -17,0 -8,6 -11,6 В пределах 343

уч. «Юго-восточ- -24,5 -21,1 -12,4

ный» Н = 550 м -26,1 -16,8 -12,4

-25,7 -15,9 -12,3

Гор.-70 м, номера -71,9 -12,4 -10,0 В преде-

раздатки уч. -35,0 -21,8 -16,4 лах 352

«Юго-восточный» -25,6 -18,5 -15,4

Н = 20 м -55,6 -22,3 -16,3

-41,7 -24,0 -16,8

Гор. -280 м, -63,8 -50,5 -22,0 В преде-

СЗРШ-2 уч. «Се- -65,7 -41,1 -20,7 лах 337

веро-западный» Н -73,8 -42,4 -19,2

= 830 м -57,3 -46,3 -22,4

-64,5 -37,4 -23,3

-68,6 -35,0 -19,1

-86,3 -40,1 -21,3

Гор. -350 м, район ствола «Сибиряк» Н = 900 м -37,5 -61,0 -22,0 -2,2 ,3 ,6 г- ™ В пределах 337

Таблица 2

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕНСИВНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО УРОВНЯ ВОЛНЫ ОТ НАПРЯЖЕНИЙ И ЭНЕРГИИ ТЕКТОНИЧЕСКИХ И СЕЙСМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОЛЯШИХ НА АНОМАЛЬНОМ ПОЛЕ НАПРЯЖЕНИЙ ТАШТАГОЛЬСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Дата Место проведения эксперимента Максимальные напряжения, действующие на аномальном поле, МПа Энергия динамических явлений, Дж Интенсивность энергетического уровня волны, Мпа*м3 Глубина зарождения динамического явления, м

28.11.97 Гор. +70 м, юго- -37,7 140 3,7-10-6 -233

01.12.97 восточный -35,3 880 2,5-10-5 -272

02.12.97 штрек Н = 480 м -47,6 104 2,2-10-6 -239

03.12.97 -31,3 880000 2,8-10-2 -114

04.12.97 -28,9 61 2,1 -10-6 -271

03.06.97 Гор. ±0м, УПП -24,5 125 5,1 -10-6 -224

27.06.97 уч. «Юговосточный» Н = 550 м -25,7 11000 4,2-10-4 -281

11.11.97 Гор.-70 м, каме- -71,9 130 1,8-10-6 -204

14.11.97 ра раздатки -35,0 1200 3,4-10-5 -167

15.11.97 -25,6 121 4,7-10-6 -203

18.11.97 уч. «Юго-восточ- -55,6 15000 2,6-10-4 -312

19.11.97 ный» Н = 620 м -41,7 79 1,8-10-6 -264

20.05.95 Гор. -280 м, -57,3 220 3,8-10-6 -209

31.05.95 СЗРШ-2 уч. «Се- -64,5 25 3,9-10-7 -246

01.06.95 веро-западный» -68,6 82 1,2-10-6 -210

03.06.95 Н = 830 м -63,8 15000 2,3-10-4 -249

04.06.95 -65,7 70 1,1 -10-6 -220

08.06.95 -86,3 3600 4,1 -10-5 -250

13.03.94 Гор. -350 м, -37,5 55 1,5-10-6 -194

15.03.94 район ствола -37,5 18 4,8-10-7 -245

16.03.94 «Сибиряк» -37,5 1800 4,8-10-5 -394

17.03.94 Н = 900 м -37,5 260 6,9-10-6 -35

18.03.94 -61,0 24000 3,9-10-4 28

ем неоднородности комплекса магнетитового месторождения (т.е. анизотропия аномальных полей напряжений проявляется на месторождениях, расположенных в тектонически активных регионах).

Особенности геологического строения земной коры отражаются в зональных, региональных и локальных аномальных силах тяжести, общий фон аномального гравитационного поля в изначальной степени обусловлен строением верхней мантии. Результаты систематических наблюдений (Таштагольская сейсмостанция) свидетельствует о том, что изменения состава, деформационно-прочностных и физических свойств пород на границах слоев резкие, а внутри слоев плавные. Изменение состава и физико-механических свойств пород земной коры наблюдается и в горизонтальном направлении: в основном плавное, а на границах блоков, разде-

ленных глубинными разломами, часто скачкообразное.

По результатам экспериментальной оценки напряженности массива Юго-восточного участка на гор. +70 м, ±0 м и -70 м в районе ЮВШ (юго-восточного штрека), автором установлено, что главные напряжения вкрест и по простиранию, и вертикальная составляющая являются основными критериями напряженности массива сланцевой толщи с пределом прочности горных пород на сжатие 39,7^57,8 Мпа. Анализ показывает, что на гор. ±0м главное напряжение меньше чем на гор. +70 м и -70 м, в связи с тем, что ЮВШ был пройден очень давно и напряжения успели реа-лаксироваться.

На гор. -70 м в окрестности места проведения эксперимента прослеживается чуть заметный диагональный разлом, который явно просматривается на нижележащих горизонтах -140 м, -210 м, -280 м, -350м и является ос-

новным концентратором напряжения в аномальном рудном поле напряжений, а на гор. +70 м проходческие работы проводились на расстоянии 40-60 м от места проведения эксперимента, значит эти напряжения можно считать истинными.

Г орные работы на гор. -280 м Северо-западного участка вызывают изменения напряженного состояния в значительных областях массива и опасную концентрацию напряжений на крупных геологических неоднородностях разлом-ных зон повышенной трещиноватости горизонта -350 м на новой промплощад-ке ствола «Сибиряк». Эти зоны характеризуются весьма сложной сейсмической волновой картиной, которая позволяет судить о пространственных параметрах зоны повышенной трещиноватости нижних горизонтов -420 м, -490 м, и -560 м, на приразломных участках Таштагольского месторождения. Средний уровень напряженного состояния массива (^1 = -49,3^ -68,3 МПа по простиранию, а вкрест ^2 = -25,1^ -41,8 Мпа) вполне соответствует интенсивности энергетического уровня волны толчков, произошедших в летне-зимние периоды проведения экспериментальных исследований (табл. 2).

Анализ результатов показывает, что при достаточно коротком динамическом толчке энергетический уровень сейсмической записи прямо пропорционален времени действия силы в источнике, форма же ее не зависит от последнего фактора. Это и естественно, так как чем короче воздействие, тем большая доля энергии уходит в высоко частот-

Экспериментальная зависимость распределения интенсивности энергетического уровня волны с глубиной разработки аномального рудного поля

ную часть спектра, которая не проходит через сейсмический канал.

В результате волны высоких приближений будут быстро сеиваться вблизи источника на очень небольших не-

стях среды, оценить это явление количественно возможно на базе экспериментальных данных и систематических наблюдений Т аштагольской сейсмостанции (на основе энергодинамических явлений и максимальных

жений) (рисунок).

В интервале глубин (-167- -312 м) средние значения интенсивности энергетического уровня волны хорошо совпадают, что указывает на жесткую корреляцию. На границах рассматриваемого интервала, где интенсивность энергетического уровня волны на глубине меньше -167 м и больше -312 м, наблюдается довольно большой разброс точек.

Характерно, что уменьшение глубины с возрастанием величины интенсивности энергетического уровня волны происходит сравнительно медленно даже при небольших значениях

(3,9-4,8*10-7 МПа*м3) -не быстрее, чем (3,4-4,8*10-5 МПа*м3), а затем доходит примерно до (2,3-3,9*10-4 МПа*м3). Изменение интенсивности энергетического уровня волны с расстояни-

ем происходит медленнее -

4,8*10-7 МПа*м3, (район ствола «Сибиряк» удален от центральной части аномального рудного поля на 1000-1500 м), а среды юговосточного и северо-западного участков довольно неоднородны. Вблизи поверхности менее ные среды имеют небольшие диенты энергетического уровня, который оказывает заметное влияние на динамические теристики волн.

По результатам интенсивности энергетического уровня волны от напряжений и энергии тектонических, сейсмических процессов, происходящих на аномальном поле напряжений Таштагольского месторождения, автор установил, что среда нетронутого массива характеризуется небольшим возрастанием интенсивности энергетического уровня волны с глубиной по параболическому закону в зависимости от распределения напряжений на подготовительно-нарезных и очистных горизонтах аномального рудного поля.

© Н.И. Синкевич, 2003

УЛК 622.83

Н.И. Синкевич

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОЛ

Ж казывают результаты экс-Ментально - инструментальных исследований, что напряженно - деформированное состояние зависит от строения горных пород и иерархической многоразрядной структуры массива, которая представляет собой блочную среду. Обработка результатов измерений ставит своей целью установление физи-ко - механических параметров и

критериев системы «Внешняя среда (напряженно - деформированное состояние массива) -геодинамические явления», из этого можно сделать следующие выводы:

1. Анализ результатов количественных характеристик интенсивности энергетического уровня волны от напряжений и энергии тектонических и сейсмических процессов, происходя-

щих на аномальном поле напряжений Таштагольского месторождения, показывает, что при достаточном интенсивном потоке динамического явления энергетический уровень сейсмической записи прямопропорционален времени действия силы в источнике, форма же ее не зависит от последнего фактора.

Характерно, что уменьшение глубины (инт. -167 - -312 м) с возрастанием величины интенсивности энергетического уровня волны происходит сравнительно медленно даже при небольших значениях (3,9-4,8*10-7 МПа*м3) - не быстрее, чем

(3,4-4,8*10-5 МПа*м3), а затем доходит примерно до (2,3-3,9*10-4 МПа-м3).

2. Определение абсолютных напряжений по методу пол-