Процессы самоорганизации в иерархически блочной геомеханической среде при техногенном воздействии

© А.Е. Балек, А. Л. Замятин, 2006

УДК 622.831

А.Е. Балек, А.Л. Замятин

ПРОЦЕССЫ САМООРГАНИЗАЦИИ В ИЕРАРХИЧЕСКИ БЛОЧНОЙ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ СРЕДЕ ПРИ ТЕХНОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ*

Семинар № 3

ЖЭ геомеханике изучение процес-

-Я-9 сов, приводящих к формированию в деформируемом горном массиве пространственных и временных структур, ограничивалось, главным образом, масштабами лабораторного моделирования и геофизическими исследованиями короткопериодных колебаний [1, 2]. Целенаправленных натурных исследований, направленных на выявление закономерностей самоорганизации крупномасштабных блоковых структур, размерами в десятки и сотни метров, проявляющихся в напряженных массивах скальных горных пород за интервалы времени в месяцы и десятки месяцев, до сих пор практически не проводилось.

В ИГД УрО РАН на базе шахты "Се-веропесчанская" Богословского рудоуправления (г. Краснотурьинск) выполнен комплекс геомеханических и геофизических исследований процессов самоорганизации крупномасштабных породных структур (консолидированных геоблоков), формирующихся в окрестностях развивающейся зоны обрушения шахты. Натурные исследования проводились 30 с лишним лет, с 1974 по 2005 г, в течение которых размеры цилиндрической полости зоны обрушения шахты увеличились со 150х350 метров до

250х1200 метров, что, при сравнительно высоком уровне тектонических напряжений, действующих в этом районе, обусловило интенсивный процесс деформирования окружающего массива. В качестве объекта исследований выступал типичный иерархически блочный массив скальных горных пород, находящийся в лежачем боку крутопадающей залежи вне области гравитационного оседания и сползания, т.е. в радиусе свыше 0,5 км от зоны обрушения.

Анализ результатов маркшейдерских замеров деформаций массива, проводившихся на протяжении 30 лет (1-2 раза в год) по реперным линиям поверхностной (рис. 1) и подземной (рис. 2) наблюдательной станции, показал, что после превышения предельного уровня относительных деформаций [е] ~ 1 мм/м в массиве происходят процессы самоорганизации, проявляющиеся в формировании крупных, размерами в десятки и сотни метров, консолидированных геоблоков, выделяемых по их разнонаправленным взаимным подвижкам [3]. Вследствие этих процессов в деформационном поле возникают зоны концентрации, приуроченные к границам консолидированных породных

*Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента РФ

Рис. 1. План промплощадки ш. "Северопесчанская" с реперными линиями наблюдательной станции. Районирование породного массива по степени подвижности структурныш элементов: 1 - наиболее подвижные и нарушенные участки; 2 - менее нарушенные участки; 3 - консолидированные геоблоки; 4 - граница зоны разрывных трещин; 5 - реперные интервалы с устойчивой многолетней концентрацией замеряемых горизонтальных деформаций

объемов. Для выявления возможности и условий их оперативного контроля был выполнен комплекс натурных геофизических исследований.

Исходя из главной цели натурных изысканий, выявления подвижных породных структур различных масштабных рангов, в качестве основного метода исследования использовали спектральное сейсмопрофилирова-ние, основанное на использовании зависимости между спектральным составом собственного колебательного процесса, возникающего при ударном воздействии на поверхность породного обнажения, и структурным строением исследуемого массива. Выявляемые неоднородности массива представляют собой поверхности по которым происходит проскальзывание соседних структурных блоков при возбуждении в них собственных упругих колебаний. Различия по величине добротности гармонических составляющих получаемого сейсмосигнала отражают различие в сцеплении пород по каждой из выявленных границ структурных неоднородностей. Таким образом, зачерненные "раздутия" на сейсмограммах отображают участки массива с пониженной зату-хаемостью возбуждаемых сейсмических колебаний, что свидетельствует о наличии подвижных структурных нарушений.

Для замеров использовали мелкосерийную аппаратуру НТФ "Геофизпрог-ноз" [www.newgeophys.spb.ru], включающую сейсмоприемник, усилительно-преобразовательное устройство,

портативный компьютер (note-book) и источники питания. Упругие колебания массива возбуждались вручную: путем нанесения короткого удара по породному обнажению в непосредственной близости от сейсмоприемника. Спектр возбуждаемых частот контролировался

визуально: на дисплее полевого компьютера.

В качестве вспомогательных методов, дающих косвенную информацию о подвижности породных структур, применяли геородарное и радонометрическое зондирование, с использованием серийного переносного импульсного радиолокатора "ГР0Т-10" в частотном диапазоне 50 150 МГц и геологоразве-

дочного радиометра альфа-активных газов РГА-500. Радиометр направлен на выявление участков с повышенной концентрацией природного радона, приуроченной к подвижным тектоническим разломам. Георадар выделяет участки массива с различающимися геоэлектри-ческими характеристиками, отражающими степень нарушенности и трещиноватости. Учитывая, что практически повсеместно наиболее ослабленными и трещиноватыми являются приповерхностные слои скальных пород и покрывающих наносов, георадар позволяет выявить места, где повышенная нару-шенность прослеживается на большую, по сравнению с соседними участками профиля, глубину, а это, как правило, свидетельствует о нахождении в таких местах под приповерхностными наносами подвижного структурного нарушения.

Зондирование породной толщи методом спектрального сейсмопрофилирования выполняли с шагом 2,5 -3 м на глубину до 150 м по профилям реперных линий маркшейдерской наблюдательной станции: на дневной поверхности (рис. 1) и на глубине 160 м -в квершлаге горизонта +40 м (рис. 2). Суммарная протяженность сейсмопрофилей составила около 2 км. Георадар-ное зондирование выполняли на глубину 30 м с шагом 1,5 м, параллельно с проведением сейсмопрофилирования.

Рис. 2. Вертикальный разрез породного массива по линии 15 с реперами подземной наблюдательной станции

Радонометрическое зондирование,

требующее наличия почвенного слоя, было ограничено линией 6 и первыми реперами линии 0 (рис. 1).

Результаты натурных геофизических исследований подтвердили теоретические положения о механическом состоянии породной толщи лежачего бока Се-веропесчанской залежи как о подвижной иерархически блочной среде в которой происходят процессы самоорганизации крупномасштабных блоковых структур. Помимо объединенной границы зоны видимых трещин и зоны террас, явственно прослеживающейся как на дневной поверхности, так и в квершлаге горизонта +40 м, в центральной части промплощадки (в районе реперных линий 12-15) выявлена система относительно монолитных породных объемов (консолидированных геоблоков) шириной порядка 75 - 100 м, разделенных де-

зинтегрированными подвижными пространственно протяженными областями шириной около 10-30 м. На периферии промплощадки, в районах линий 6 и 19 подвижные дезинтегрированные участки проявляются на фоне более менее равномерно ослабленного скаль-ного крупноблочного массива. Выявленные неоднородности характеризуют в основном деформационное поле горного массива, поскольку, согласно геологоморфологическим данным, полученным по разведочным скважинам и подземным выработкам, все эти районы по своему литологическому и структурному строению существенно не различались.

Наиболее наглядно данное положение иллюстрируется на продольном (по простиранию залежи) сечении породной толщи. На рис. 3 представлен обобщенный сейсморазрез, полученный

149

метры

Рис. 3. Сейсморазрез по линии О

по профильной линии 0, где между реперами 15-16 и 21-22 прослеживается консолидированный геоблок, пересекаемый тектоническим нарушением IX, а южнее репера 15 проявляется относительно равномерно нарушенный крупноблочный массив с зонами ослаблений в районах реперов 9 и 14-15. Более мелкоблочный, но довольно равномерно нарушенный массив залегает к северу от реперов 21-22.

С сейсморазрезом линии 0 согласуются данные, полученные на поперечных реперных линиях. В качестве примера на рисунках 4, 5, 6 представлены, соответственно, сейсморазрезы линий 19, 15 и 6. По линии 15 (рис. 5) консолидированные геоблоки проявляются в интервалах между реперами 8 и 11, а также 12 и 15. По линии 19 (рис. 4) практически весь массив, за исключением относительно монолитной области в интервале 5 - 9, представлен подвижными, в различной степени дезинтегрированными участками. Породный массив по линии 6 (рис. 6) более крупноблочен и менее, но также весьма равномерно, нарушен. Этот факт подтверждается и данными радонометрии, согласно которым по линии 6 корреляция между пространственными координатами точек замеров и эманацией радона практически отсутствовала. Результаты геора-дарного зондирования также указывали на весьма однородное, по сравнению с другими профилями, структурное

строение приповерхностного массива линии 6.

На основании совместного анализа результатов геофизических исследований и ранее полученных геологомаркшейдерских данных выполнено районирование породного массива промплощадки по критерию подвижности его крупномасштабных (на базах в десятки и сотни метров) структурных

элементов. На рис. 1 представлен план, а на рис. 2 разрез породной толщи лежачего бока с трассировкой динамичных структурных элементов и консолидированных геоблоков. Совпадение подвижных участков массива, выявленных геофизическими методами, с местами многолетней устойчивой концентрации горизонтальных деформаций, а также с наиболее крупными тектоническими нарушениями VIII и IX, свидетельствует о временной стабильности представленных на рис. 1 и 2 консолидированных породных структур во временных масштабах, соизмеримых с этапами развития зоны обрушения, т. е. десятки месяцев - годы.

Для подтверждения того, что выявленные неоднородности массива не случайны, а являются отражением процесса самоорганизации деформируемой среды, был выполнен сопоставительный анализ. Результаты натурных геофизических исследований сопоставляли с результатами математического моделирования напряженно-

деформированного состо-яния массива шахты "Северопесчанская", рассматриваемого как сплошная упругая изотропная среда. Для моделирования применяли метод граничных элементов (программа БЬЛ8Т-2 ИГД СО РАН), граничные условия принимали на основании многолетних натурных исследований реального напряженно-деформиро-ванного состояния породной толщи лежачего бока Северопес-чанской залежи [3]. Рассматривали горизонтальные напряжения и деформации для шести характерных этапов развития зоны обрушения, которые она претерпевала за все время отработки залежи (рис. 7).

Сопоставительный анализ показал, что из всего комплекса параметров,

О 25 в 5^ 7%/ш 'Орв</ 125 150 ^ 175 200 _а^,25° ^ 27Ь 300 325

Г лубина,

Рис. 4. Сейсморазрез по линии 19

метры

Рис. 5. Сейсморазрез по линии 15

О 25 50 75 . 100- 125 _ 150 „ 175 « 200 ___225 метры

2 ^ 4 Я в Т в 9 ю р»п*рв

Рис. 6. Сейсморазрез по линии 6

Рис. 7. План промплощадки ш. " Северопесчанская" с реперными линиями и границей зоны обрушения (по этапам развития зоны). Районирование массива по количеству смен знака перед приращениями касательных напряжений тху, происходивших в процессе развития зоны обрушения с 1974 по 2006: 1 - одна смена; 2 - две смены; 3 - три смены; 4 - смен знака не было

отражающих изменения напряженного состояния массива в процессе развития зоны обрушения, в наибольшей степени с результатами натурных геофизических исследований коррелируют изменения касательных напряжений. На рис. 7 представлено полученное на основании данных математического моделирования районирование промпло-щадки шахты по количеству смен на-

правления действия касательных напряжений, которое качественно совпадает с районированием, составленным по геофизическим данным (рис. 1). Это согласуется и с результатами лабораторных исследований процессов самоорганизации сыпучих сред [4], где консолидация блоковых структур происходила в условиях однородного сдвига сыпучего материала. ------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Курленя М.В., Опарин В.Н. Проблемы нелинейной геомеханики. Ч. 1/ ФТПРПИ. -

1999. - № 3. - С. 12-26.

2. Курленя М.В., Опарин В.Н. Проблемы нелинейной геомеханики. Ч. 2/ ФТПРПИ. -

2000. - № 4. - С. 3-26.

3. Балек А.Е. Натурные исследования процесса деформирования горного массива как

диссипативной системы// Геомеханика в горном деле - 2000// ИГД УрО РАН. - Екатеринбург, 2000. - С. 9-18.

4. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. Однородный сдвиг сыпучего материала. Локализация деформаций// ФТПРПИ. -1983. - №5. - С. 17-21.

— Коротко об авторах --------------------------------

Балек А.Е., Замятин А.Л. - Институт горного дела УрО РАН.

---------------------------------------- © В. В. Мельник, 2006

УДК 550.3

В.В. Мельник

ДИАГНОСТИКА КАРСТООПАСНОСТИМЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНОГО СЕЙСМОПРОФИЛИРОВАНИЯ*

Семинар № 3

ходе решения инженерногеологических задач по диагностике массива горных пород с целью определения его прочностных характеристик часто сталкиваешься с проблемами развития процессов карстообразо-вания. Многолетний опыт использования геофизических методов для выявления карстовых пустот на объектах Уральского региона дает возможность судить о пригодности того или иного метода к решению практических задач.

По мере развития инструментальной базы в нашем трудовом коллективе использовались разные геофизические методы. Первые исследования проводились на газопроводе Бухара-Урал в Красногорском районе Челябинской области. В то время лаборатория располагала лишь электроразведочным оборудованием АНЧ-3. На участке газопровода проходящего по известнякам появились карстовые воронки, оголившие трубы. С помощью методов электрораз-

*Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента РФ