Контроль напряженно-деформированного состояния массива горных пород при строительстве тоннелей методом ЕЭМИ

A.A. Baryakh, N.A. Samodelkina

JUSTIFICATION OF ACCEPTABLE MINING CONDITIONS FOR ABNORMAL STRUCTURE OF WATERPROOF THICKNESS

The generic aspects of undermined waterproof strata discontinuity were established on the base of mathematical modeling. The patterns revealed were used as a foundation for engineering criterion elaboration for providing the undermining safe conditions.

Keywords: mathematical modeling, failure, contact opening, deflected mode.

Получено 20.04.11

УДК 624.19:622.831

К.П. Безродный, д-р техн. наук, зам. дир. по науке, (812) 312-78-11, besrodny@lenmetro.ru,

А.Д. Басов, канд. геол.-мин. наук, зав. лаб., (812) 702-61-95, a.basov2011@yandex.ru,

К.В. Романевич, мл. науч. сотр.,

КОНТРОЛЬНАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТОННЕЛЕЙ МЕТОДОМ ЕЭМИ

На примере наблюдений за проявлениями горного давления в тоннеле показана возможность с помощью неразрушающего и бесконтактного метода естественного электромагнитного излучения контролировать изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород при сооружении тоннелей.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, естественное электромагнитное излучение, геоэкологический мониторинг, динамическое проявление горного давления.

Создание новых геотехнологий в тоннелестроении связано с внедрением новой техники, эффективных способов ведения горных работ, применением современных материалов, обеспечением безопасности проходки, поддержанием устойчивости тоннеля при строительстве и в эксплуатации, минимизацией вредного влияния на окружающую среду. Для решения практически всех названных работ необходимо осуществлять контроль и управление горным давлением, применять геомеханические методы исследований. Известно, что геомеханика первоначально формировалась как раздел геофизики еще в конце XIX - начале XX веков. Геофизические методы в геомеханике в настоящее время применяются достаточно широко для изучения строения, состава и свойств массива горных пород, установления закономерностей формирования механических свойств горных пород и изучения процессов перераспределения напряже-

ний, деформирования, разрушения и упрочнения участков массива горных пород в земной коре.

Среди большого многообразия геофизических методов особое место занимают электромагнитные методы. Это связано с тем, что электромагнитные сигналы (ЭМС) достаточно просто регистрировать с помощью современных цифровых приборов, и в настоящее время созданы эффективные и мощные компьютерные средства обработки и анализа ЭМС.

Наиболее перспективным методом исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород является метод регистрации естественного электромагнитного излучения (ЕЭМИ), особенно на стадиях трещинообразования и разрушения.

Основой метода ЕЭМИ являются механо - электромагнитные преобразования (МЭИ) в массиве горных пород происходящие вследствие изменений напряженно-деформированного состояния (НДС). Наиболее активно процессы МЭП проходят при образовании трещин, смещениях блоков горных пород относительно друг друга. В методе ЕЭМИ измеряются параметры электромагнитного излучения, зависящие от физикомеханических свойств пород, структурно-текстурных особенностей и интенсивности изменений напряженно-деформированного состояния под влиянием природных и техногенных факторов [1, 2].

Особенностью поля ЕЭМИ, регистрируемого в подземных выработках, является то, что в большинстве случаев регистрация проводится в условиях природных и техногенных помех в так называемой ближней зоне источника излучения, которая простирается от источника на расстояние до трех длин волн. Значительные погрешности измерений могут возникнуть из-за экранирования градиента поля электрического тока высоко электропроводными обводненными рыхлыми породами. В ближней зоне электромагнитная волна еще не полностью сформирована и для характеристики электромагнитного поля измерения переменного электрического ПОЛЯ и переменного магнитного поля проводят раздельно. В этих полях электрическая ^ (t) и магнитная H (t) ) напряженности резко убывают при удалении от источника обратно пропорционально кубу или квадрату расстояния до источника. Характеристиками ЕЭМИ можно считать количество импульсов в единицу времени, частоту, длину волны, амплитуду и поляризацию.

Рассмотрим пример использования метода ЕЭМИ для контроля НДС при сооружении подземной выработки в сложных условиях преодоления мощной зоны тектонически нарушенных пород на Северомуйском тоннеле. Горнопроходческий комплекс (ГПК) не смог пройти зону разлома, сложенную пластичными водонасыщенными глинистыми породами, на глубине около 345 ми было решено провести инъекционное упрочнение пород, затем пройти горным способом калотту над ротором и из нее раскрыть и освободить оболочку ротора. По опыту проведения подобных ра-

бот в разнообразных условиях разломов на Северомуйском тоннеле известно, что в таких ситуациях при проходке калотты существует возможность опасных проявлений горного давления вплоть до внезапных вывалов (прорывов) водопородной массы в виде пульпы в выработку. Поэтому на время ведения проходки калотты и освобождения оболочки ротора ГПК был организован и осуществлен контроль за напряженно-деформированным состоянием массива и крепей (арок с черновым бетоном). Использовались методы измерения деформаций (смещений) арок с черновым бетоном рулеткой ЦНИИС и струнных деформометров ПЛДС-400, маркшейдерских профилировок калотты по реперам и контроля напряжений методом регистрации ЕЭМИ.

На рисунке приведены данные регистрации ЕЭМИ, которую проводили по калотте с шагом 2 м. График, обозначенный х, соответствует случаю, когда антенна РВИНДС ориентирована по оси калотты, график, обозначенный у - случаю, когда антенна перпендикулярна оси калотты в горизонтальной плоскости, ъ - когда антенна расположена в вертикальном направлении. Стрелкой показано начало движения ГПК - возобновление проходки.

Анализ графиков показывает, что при всех ориентациях антенны характер изменения интенсивности излучения похожий. В январе - начале февраля наблюдались моменты очень высокой интенсивности излучения, что было связано с перераспределением напряжений в зоне купола в своде тоннеля, который образовался при входе в мощную тектоническую зону.

Например, в ночь со 2 на 3 февраля в забое тоннеля был слышен мощный гул, идущий со стороны купола. Кроме того, определенное влияние на характер проявления ЕЭМИ оказывали напряжения и деформации от инъекционных работ, которые велись из калотты для закрепления пород по трассе проходки. Начало проходки также отмечено всплеском ЕЭМИ. В общем, характер изменений интенсивностей счета импульсов ЕЭМИ соответствует общим представлениям об изменении напряженно-деформированного состояния, а то, что по величине изменения ЕЭМИ были одного порядка и достаточно локальны по месту проявления, свидетельствует о близости источников излучения к пунктам регистрации. Таким образом, можно считать, что на рисунке представлены графики регистрации ЕЭМИ от источников вблизи контура выработки и по ним можно качественно характеризовать на -пряженно-деформированное состояние системы «крепь - массив».

После возобновления проходки были продолжены измерения ЕЭМИ на участках выработок в четвертой тектонической зоне для оперативной оценки и контроля напряженно-деформированного состояния и устойчивости выработок. Одновременно часть колец чугунной тюбинговой крепи оборудовалась для выполнения геомеханических измерений и данные этих измерений использовались для увязки с данными ЕЭМИ и при интерпретации последних. Из рассмотрения графиков рисунка видно, что в начале про-

ходки интенсивность излучения ЕЭМИ была относительно высокой. В дальнейшем в ходе проходки наблюдались участки повышения интенсивности излучения до 20 000 имп./с, что свидетельствовало об опасно высоком уровне напряжений и продолжающихся процессах их перераспределения.

N•10^, имп с

І II ПІ IV V VI VII МП IX X 1990 год

Интенсивность счета импульсов ЕЭМИ, зарегистрированного

в одном пункте наблюдений

Практически излучение ЕЭМИ у забоя не регистрируется при вхождении забоя в массив обводненных песчано-глинистых пород. Известно, что в зонах разгрузки напряжений излучение на какое-то время может исчезать, появляясь затем по мере развития горного давления на крепи по контуру выработки. Опыт применения метода ЕЭМИ показывает, что этот метод позволяет оперативно оценивать геомеханическую обстановку непосредственно в выработках и по факту изменения интенсивности излучения ЭМИ про -

водить контроль напряженно-деформированного состояния в процессе про -ходки и в последующем.

Проведенное рассмотрение результатов применения метода ЕЭМИ в комплексе традиционных геомеханических и маркшейдерских методов контроля напряженно-деформированного состояния по тектонической зоне показывает, что и в зонах тектонически разрушенных (до песка и глины) и обводненных горных пород использование экспресс-метода регистрации ЕЭМИ для косвенной оценки напряженного состояния оказалось успешным. Подобные результаты применения экспресс-метода ЕЭМИ для контроля напряженно-деформированного состояния в подкрепленных и не-подкрепленных выработках Северомуйского и других тоннелей БайкалоАмурской магистрали (БАМ) позволили использовать этот метод как технологический элемент при сооружении подземных выработок для повышения безопасности ведения проходки в сложных горно-геологических условиях.

По опыту работ на тоннелях БАМ для контроля напряженно-деформированного состояния горных пород методом ЕЭМИ достаточно оборудовать один-два пункта для одновременных наблюдений ЕЭМИ и НДС на участке исследуемой трассы проходки тоннеля. В каждой точке измерений и для каждой ориентировки приемных антенн интенсивность излучения ЕЭМИ характеризуется средним арифметическим значением N по 7 отсчетам с интервалом в 5 секунд:

Основной объем измерений по контролю напряженно-деформированного состояния и устойчивости выработки проводится дистанционным экспресс-методом ЕЭМИ. Для оценки напряженно-деформированного состояния горных пород предлагается использовать за-

ЕЭМИ (средние арифметические значения) в точке контроля ЕЭМИ и точке одновременных наблюдений НДС и ЕЭМИ; ст и стразр - действующее в

системе «крепь - горный массив» напряжение и разрушающее напряжение соответственно.

По данным исследований на Северомуйском тоннеле БАМ разработан способ качественной оценки напряженно-деформированного состояния методом ЕЭМИ, который для конкретных условий применения необходимо проверять экспериментально (таблица).

_ 1 7 1 7 _

N = — V N и дисперсией: 5^ = — V,(К - К2).

висимость вида

0 V

= і

разр.J

, где N ^- интенсивность излучения

При = 5...7 необходимо усиление крепи выработки. Отметим,

что дисперсия резко возрастает после достижения разрушающих

/ ^0

напряжений, в этом случае интенсивность излучения ЕЭМИ меняется скачком от малых значений до максимальных.

Оценка напряженно-деформированного состояния с помощью ЕЭМИ

Интенсивность излучения ЕЭМИ ш. / N(5, относит. ед. Уровень напряжений У относит. ед. Качественная характеристика НДС

0 0 Ненапряженное

до 1 >0,3 Слабо напряженное

от 1 до 3 >0,5 Умеренное

от 3 до 5 >0,7 Напряженное

от 5 до 7 и выше 0,7...0,8 Опасно напряженное

Кратко рассмотрим еще один пример использования метода ЕЭМИ на участке динамического проявления горного давления. Характерное динамическое проявление горного давления в заглубленной части Северо-муйского тоннеля (глубина заложения около 700 м) заключалось в том, что «стреляние», отслаивания, трещино- и заколообразования по вспомогательным выработкам и тоннелю на участке у забоя и самом забое происходили преимущественно по стенкам. При «стрелянии» куски породы в виде плиток (отщепов) пролетали от стены к стене, рассыпаясь со звуком, похожим на звук выстрела, в конце полета на мелкие частички. Разрушение массива пород интенсивно продолжалось более недели. За это время в массиве происходили образования трещин, вывалы негабаритов весом до нескольких тонн и обрушения раздробленной породы.

Преимущественное направление плоскостей трещин по тоннелю указывает на их субвертикальную ориентацию. Разрушения горных пород массива на контуре выработок происходили преимущественно по стенкам. Это указывает на то, что максимальные напряжения здесь являются субвертикаль ными.

Измерения ЕЭМИ по штольне, параллельной тоннелю, проводили с пространственной ориентацией стержневой магнитной антенны РВИНДСа (радиоволнового индикатора напряженно-деформированного состояния -разработка Томского политехнического института) на каждой точке наблюдений в плоскостях ХОУ, Х07 и У07. Причем по всем точкам наблюдений наибольшая интенсивность ЕЭМИ фиксировалась, когда ось магнитной стержневой антенны была ориентирована в субвертикальном направлении. Практически по всем точкам измерений при вертикальной

ориентации магнитной антенны счет импульсов был в 3-4 раза выше, чем при ориентации ее в горизонтальной плоскости.

Таким образом, на исследованном участке с интенсивным динамическим проявлением горного давления в виде «стреляния» и других динамических явлений, которые указывают на концентрацию высоких напряжений по контуру выработок, применение экспресс-метода бесконтактного дистанционного контроля напряженного состояния горных пород также было полезным. Подобных примеров применения метода ЕЭМИ для контроля напряженно-деформированного состояния горных пород достаточно много, так как метод применялся в течение всего периода строительства тоннелей БАМ и в последующем на других тоннелях. Подтвердилась теоретическая модель представления источников излучения ЕЭМИ как диполей с разделением зарядов по бортам микро- и макротрещин возникающих, страгивающихся старых и вновь прорастающих в глубь ненарушенной породы и с последующим разрядом накопленных зарядов с образованием сигнала излучения ЕЭМИ в пространстве ограниченном плоскостями движущейся и вибрирующей трещины. Концентрация высоких напряжений в локальных зонах вблизи контура выработок, формирующихся по закону, открытому учеными ИГД СО РАН [1], определяет резкую изменчивость интенсивности излучения ЕЭМИ по профилям в выработках. Направленность процессов образования зон трещиноватости отражается также в анизотропии излучения ЕЭМИ, регистрируемого при разных ориентациях магнитной антенны регистрирующего прибора. Данное обстоятельство подтверждает предположение о возможности определения по данным регистрации ЕЭМИ не только уровня задействованных в массиве напряжений, но и направления его максимальных (главных) напряжений.

Кроме того, по данным регистрации ЕЭМИ в процессе временных режимных наблюдений на участках с высокими напряжениями удается проследить в динамике развитие процессов перераспределения напряжений: их релаксацию (разгрузку) в виде деформаций - по резкому затуханию излучения ЕЭМИ, а концентрацию высоких напряжений в каком-либо месте - по скачкообразному усилению излучения.

В настоящее время метод ЕЭМИ входит в комплекс геотехнологий строительства тоннелей Северо-Кавказской железной дороги Туапсе - Адлер, Адлер - Красная Поляна и автомобильных тоннелей на сопутствующей автотрассе и включен в систему горно-экологического мониторинга [2]. Важным разделом этого мониторинга является контроль НДС горных пород и бетонных обделок комплексом геомеханических и геофизических методов, в том числе с использованием метода ЕЭМИ для контроля и оценки НДС на качественном уровне. Со временем метод ЕЭМИ, возможно, станет методом количественной оценки напряженно-деформированного состояния горных пород, которую, как полагают авторы, можно будет выполнять на основе корреляционно-спектрального анализа времен-

ных рядов, полученных при долговременных (мониторинговых) наблюдениях деформаций в натурных условиях в подземных выработках и на дневной поверхности.

Список литературы

1. Регистрация и обработка сигналов электромагнитного излучения горных пород/ М.В. Курленя и [др.]. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 232 с.

2. Методическое руководство по комплексному горноэкологическому мониторингу при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей. М.: УРАН ИПКОН РАН, НИПИИ «Ленметрогипро-транс», 2009. 68 с.

K.P. Bezrodny, Yu.S. Isaev, A.D. Basov, K.V. Romanevich

CONTROL OF STRESS STRAIN STATE OF ROCK MASS DURING TUNNEL CONSTRUCTION APPLYING NEMR METHOD

A possibility of controlling changes in stress strain state of rock mass during tunnel construction by a non-destructive and non-contact method of natural electromagnetic radiation (NEMR) is demonstrated as exemplified by observations of rock pressure shows in the tunnel applying this method.

Key words: stress strain state, natural electromagnetic radiation, monitoring, dynamic shows of rock pressure.

Получено 20.04.11

УДК 550.34.09

A.A. Бузыла, асп., (093) 706-99-41, buzik@meta.ua ,

O.A. Вовк, канд. техн. наук, доц., (044) 406-84-32,

B.В. Вапничная, канд. техн. наук,

ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННЫЕХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН

Рассмотрены методики оценки видимого периода колебании в поверхностных волнах при действии сосредоточенных зарядов, размещаемых на различных приведенных глубинах. Приведены расчетные данные для определения видимого периода колебаний вразличных породах при взрывании зарядов массой 160...3000 кг.

Ключевые слова: сейсмические колебания, сейсмоопасностъ, период колебаний, заряды взрывчатых веществ, поверхностные сейсмические волны.

Сейсмические колебания, вызванные взрывом заряда, изменяют свои параметры при движении в слоистых средах с различными упругими