Геомеханика / лекции Геомеханика / Лекция 05 Общий подход

16

Лекция 5.

2 часа

ОБЩИЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ.

5.1. Этапы построения моделей геомеханических явлений.

Изучение и анализ любого явления в природе, независимо от его сложности и многофакторности, могут быть осуществлены на модели этого явления, которая в процессе познания может уточняться и совершенствоваться, оставаясь, однако, лишь моделью, в той или иной степени адэкватной рассматриваемому явлению.

Совершенствование моделей отнюдь не обязательно означает их усложнение Напротив, для изучения влияния тех или иных факторов часто оказывается методически целесообразным их упрощение, например, расчленение сложной модели на ряд более простых специализированных моделей. Построение таких специализированных моделей сложного природного явления представляет исключительную возможность для его всестороннего анализа и широко используется в науке и практике.

Как показывает опыт, при решении конкретных вопросов геомеханики недостаточно иметь разработанную классификацию массивов и пород, недостаточно иметь результаты исследования свойств и состояния пород в виде паспортов, также недостаточно знать закономерности распределения напряжений в элементах системы разработки необходимо ещё иметь чёткие представления о взаимном пространственном расположении тех или иных разновидностей пород с соответствующими деформационно-прочностными характеристиками для рассматриваемой конкретной ситуации, а также данные о структурных характеристиках массивов пород и, в частности, о тех, которые в данном конкретном случае оказывают главное влияние. Кроме того, необходимо иметь пространственную картину расположения выработок в интересующей области, также с выделением основных выработок, которые должны быть непременно рассмотрены и второстепенных, которыми можно пренебречь и не учитывать в расчётах.

Другими словами, для решения вопросов геомеханики необходимо составлять различные модели ситуации. Такой методологический подход постепенно завоевывает всеобщее признание.

Степень адекватности разрабатываемых моделей реальному явлению в принципе должна соответствовать как уровню развития методов и средств решения поставленных задач, так и требованиям точности и надежности выдаваемых результатов.

Применительно к вопросам геомеханики первым этапом в свете упомянутого подхода является построение инженерно-геологической модели массива пород, в котором проводятся горные работы.

Первичной основой для построения инженерно-геологической модели массива пород служит обычная геологическая документация - геологические планы (карты) и разрезы, которые по сути являются специализированными моделями реального массива пород. Однако основное отличие инженерно - геологической модели от этих материалов заключается в одновременном комплексном анализе геологических условий, физико-механических свойств пород и начального напряжённого состояния массива. На этой основе выполняется целенаправленная схематизация и, наряду с этим, районирование исследуемого массива пород.

Схематизация заключается в упрощении, как правило, сложного строения и состава массива, уменьшения разнообразия пород путём объединения их в комплексы с близкими показателями физико-механических свойств, а также одинаковыми особенностями поведения пород при различных воздействиях на них. Это, в свою очередь, требует последовательной разработки и последующего анализа ряда вспомогательных, частных моделей изучаемого массива - моделей (схем), характеризующих литологическое строение, структурные особенности, начальное напряженное состояние, экзогенное изменение пород изучаемого массива и др. Во многих случаях уже сама инженерно-геологическая модель позволяет прогнозировать возможность возникновения различных процессов или явлений - обвалов, оползней, разгрузки, выветривания и т. п. Все эти частные модели должны быть жестко увязаны между собой и обеспечивать в конечном итоге решение основной задачи — количественного анализа явлений и процессов, происходящих в изучаемом массиве горных пород в результате горных работ или подземного строительства.

В свою очередь, созданию инженерно-геологической модели должна предшествовать разработка инженерно-геологической классификации пород, на основе чего выполняется районирование массива. В результате производится выделение отдельных блоков массива, в пределах которых инженерно-геологические условия, и в частности, напряженное состояние и свойства пород, могут быть приняты достаточно однородными.

В качестве примера на рис. 5.1 приведена инженерно-геологическая модель массива горных пород Ковдорского месторождения комплексных (бадделеит-апатит-магнетитовых) руд.

Рис.5.1. Инженерно-геологическая модель массива горных пород Ковдорского место-рождения комплексных (бадделеит-апатит-магнетитовых) руд.

1-5 - инженерно-геологические литотипы (1 - первый; 2 - второй; 3 - третий; 4 - четвёртый; 5 - нерасчленённые третий и четвёртый); 6 - границы зоны дезинтеграции; 7 - границы районов (блоков) и их номера; 8 - тектонические зоны первого порядка и их номера.

Ковдорское месторождение комплексных руд сложено изверженными породами, принадлежащими к формации ультраосновных щелочных пород каледонского тектоно-магматического цикла. Месторождение имеет отчётливо кольцевое центробежно-зональное строение. Его ядро сложено древними оливинитами, которые окружены прерывистой оболочкой пироксенитов. Более молодые породы уртит-ийолит-мельтейгитовой серии образуют вокруг ядра почти сплошное невыдержанное по мощности кольцо.

Рудная зона месторождения представляет собой дуговидную прерывистую зону, обращённую выпуклостью на юго-восток, с кулисным размещением основных рудных тел. В направлении с севера на юг эта зона меняет свою ориентировку с субмеридиональной на юго-западную. На участке её изгиба локализуется основная масса руд, образуя субвертикальную трубообразную главную рудную залежь с несколькими апофизами.

Массив горных пород Ковдорского месторождения является неслоистым с преимущественно радиально-кольцевым развитием трещин, характеризуется 5 - ю уровнями структурной иерархии и вертикальной гипергенной зональностью. Каждый из структурных уровней представлен определённым масштабом проявления (порядком) разрывных нарушений и размерами ограниченных этими нарушениями блоков пород, последовательно уменьшающимися с повышением структурного уровня и соответственно порядка нарушений от первого до пятого.

Первый структурный уровень определяется наиболее крупными, сложного строения зонами трещиноватости, а местами и смятия пород, мощностью в десятки и сотни метров, которые протягиваются обычно через всё месторождение. Всего закартировано семь разрывных нарушений 1-го порядка - северо-западного, северо-восточного, субмеридионального и субширотного простирания, мощностью от 20-60 до 250 м.

Второй и третий структурные уровни представлены:

• одиночными крупными трещинами с притёртыми стенками, сопровождающимися обычно зоной трещиноватых или дроблёных пород;

• несколькими крупными или множеством мелких сближенных субпараллельных трещин;

• зонами интенсивно трещиноватых (до блоков размером 3-5 см) с глинкой трения пород, имеющих нечёткие контакты или ограниченных субпараллельными притёртыми плоскостями.

Мощность нарушений второго порядка составляет 0.5 - 6.0 м при протяжённости 250-500 м. Мощность нарушений третьего порядка - 0.05 - 0.5 м, протяжённость - до 100 м, а расстояние между ними составляет 5-30 м.

Четвёртый уровень (порядок) представлен хорошо выраженными трещинами мощностью до 1-2 см и протяжённостью не менее 30 м. Их заполнителем обычно является механически нарушенный карбонатно-слюдистый материал. Расстояние между трещинами колеблется от 4 до 15 м, составляя в среднем 7 м.

Пятый структурный уровень выражен мелкими трещинами самых различных направлений мощностью до 0.5 см и протяжённостью 3-20 м.

Петрографические разновидности пород и руд месторождения сгруппированы в пять инженерно-геологических литотипов, отличающихся друг от друга прочностными свойствами, размерами элементарного структурного блока и особенностями геометрии решётки трещиноватости. Первые четыре литотипа - первичные слабо затронутые выветриванием породы и руды (в порядке снижения прочности):

первый - метаморфиты (гнейсы, фениты);

второй - щелочные породы;

третий - гипербазиты (оливиниты, апооливинты и пироксениты);

четвёртый - руды и карбонатиты.

Первые три литотипа относятся к очень прочным ([s_сж]³ 120 МПа), а четвёртый - к прочным грунтам ([s_сж]=50-120 МПа). Первый литотип имеет преимущественное распространение в юго-восточной, второй - в западной, а третий - в северной и северо-восточной частях породного обрамления Главной рудной залежи. Пятый литотип представлен продуктами зоны выветривания и интенсивной дезинтеграции всех предыдущих литотипов - скальными грунтами средней ([s_сж]=15-50 МПа) и малой ([s_сж]=5-15 МПа) прочности, полускальными и рыхлыми грунтами.

В результате выполненного районирования действующего карьера выделено 20 инженерно-геологических блоков, каждый из которых количественно охарактеризован параметрами ориентировки системы трещин и блочности различных порядков, глубиной зоны дезинтеграции пород и уровнем подземных вод.

Вторым этапом данного методологического подхода является разработка на базе инженерно-геологической модели рассматриваемого массива геомеханической модели конкретной горно-технологической ситуации, подземного сооружения или горной выработки, для которых необходимо выполнить оценку устойчивости пород в обнажениях, определить параметры устойчивых элементов, рациональный порядок разработки, вид крепи или решить какие-либо другие задачи геомеханики. При этом, как мы уже не раз подчёркивали, особенностью массивов скальных пород является первоочередная необходимость выделения тех типов и видов структурных неоднородностей, которые в данном случае будут решающим образом влиять на состояние рассчитываемых сооружений и выработок.

Переход от инженерно-геологической модели к геомеханической, как правило, сопровождается дальнейшим обобщением исходных материалов и также может осуществляться с помощью вспомогательных моделей (схем), отражающих особенности напряжённо-деформированного состояния или поведения под нагрузкой отдельных участков или областей пород массива в пределах конкретных элементов систем разработки - выработок, целиков и т.д.

В целом же если инженерно-геологическая модель является в определённом смысле общей моделью массива, то геомеханическая модель должна быть предельно конкретной, ее содержанием будет являться весь комплекс исходных данных о напряженном состоянии, свойствах и структурных особенностях массива пород, дополненных данными о параметрах горных выработок и других элементов систем разработки, необходимых для решения поставленных задач применительно к данному объекту.

На рис. 5.2 показана геомеханическая модель карьера, разрабатывающего Ковдорское месторождение, построенная на основании инженерно-геологической модели (см. рис. 5.1). Эта модель создана путём идеализации (генерализации) инженерно-геологической модели в отношении свойств и геометрии породного массива, а также зоны существенного влияния карьера.

Вид и содержание геомеханической модели в определенной степени определяются теми исходными предпосылками, которые положены в основу метода решения поставленной задачи. В случае физического моделирования - физической

Рис. 5.2. Геомеханическая модель карьера ОАО «Ковдорский ГОК»

1 - структурные элементы модели и их номера; 2 - изолинии поверхности карьера на конец отработки (первая очередь) и их значения в абсолютных отметках, м.

моделью рассматриваемого объекта, в случае математического моделирования - расчетной схемой и математическим аппаратом, т. е. математической моделью.

Создание физических или математических моделей представляют собой третий этап решения геомеханических задач. Для рассмотренного примера вид приведенной на рис. 6.2 геомеханической модели согласован с дальнейшим решением геомеханических задач, в частности, с исследованием вопросов устойчивости уступов и бортов карьера методом конечных элементов. В конечном итоге для каждого выделенного блока были определены устойчивые параметры уступов и бортов карьера в целом, в частности, высота уступов, угол наклона поверхности уступа и угол наклона борта карьера.

Перечисленные инженерно-геологическая и геомеханическая модели являются специализированными, так как в процессе построения каждой из них отображаются лишь соответствующие особенности реального массива. Вместе с тем последовательная разработка этих моделей должна выявить механизм того процесса, для изучения которого они разрабатываются, определить пути и методы решения инженерных задач В этом смысле построение инженерно геологической и геомеханической моделей, выбор и анализ расчетной схемы или создание физической модели реального массива являются единым процессом, составляющие которого тесно связаны между собой и взаимно влияют друг на друга.

Инженерно-геологические и геомеханические модели всегда являются масштабными, т. е. геометрические размеры элементов моделей должны соответствовать в некотором масштабе размерам реальных геологических и горнотехнических объектов. Кроме того, в принципе эти модели должны быть объемными, так как только в этом случае возможен наиболее полный и близкий к действительности их анализ. В силу того, что на современном уровне развития вычислительной техники и эксперимента реализация объемных моделей достаточно затруднительна, довольно часто ограничиваются упрощенными представлениями массивов в виде плоских моделей.

5.2. Методы получения информации для построения моделей

геомеханических явлеий.

Необходимая информация для построения геомеханических моделей и, в целом, для решения геомеханических проблем может быть получена с привлечением как экспериментальных, так и теоретических методов. Границы между этими методами в известной степени условны, зачастую какие-либо конкретные методы несут одновременно черты и экспериментальных, и теоретических методов исследований. Особенно это характерно для последнего времени в связи с широким применением вычислительной техники и бурным развитием методов математического моделирования.

Тем не менее, с известной степенью условности, все методы, применяемые в геомеханике в настоящее время можно подразделить на три группы:

• натурных наблюдений и измерений,

• моделирования

• аналитические.

Первая группа методов является при этом основной, поскольку в процессах горных работ чрезвычайно велико многообразие влияющих факторов Это обусловлено как специфичностью физической среды - массива горных пород, и в частности, большим разнообразием и изменчивостью горно-геологических условий, так и вариациями параметров и режимов ведения горных работ, а также тем, что горные работы постоянно развиваются и фронт их непрерывно перемещается в пространстве.

Поэтому, хотя наблюдения и измерения в натурных условиях трудоемки, дороги и организационно сложны, без них невозможно выявить основные определяющие факторы изучаемых процессов и правильно поставить задачи для аналитических исследований и моделирования. Таким образом, основная задача натурных наблюдений состоит в том, чтобы выяснить в общих чертах механизм изучаемых процессов, выделить доминирующие факторы, оценить наиболее важные параметры изучаемых процессов.

Здесь необходимо обратить внимание на то, что к числу натурных методов целесообразно относить и чисто лабораторные методы, например, исследование образцов горных пород поскольку при использовании иерархично-блочной модели массива пород понятие «образец» и «массив» теряют смысл. Свойства массива горных пород непосредственно зависят от величин рассматриваемых объёмов и наличия в них тех или иных порядков структурных неоднородностей. В соответствии с этим их необходимо определять на соответственно выбранных представительных объёмах, включающих эффективные виды неоднородностей, исходя из конкретно решаемой задачи и исследуемых процессов и объектов. Во многих случаях представительными будут являться объёмы, соответствующие традиционным образцам горных пород.

К настоящему времени для решения задач геомеханики предложено и применяется на практике большое число методов натурных измерений. С точки зрения физической сущности все натурные измерения сводятся к измерению плотности (или удельного веса) горных пород, деформаций (с последующим вычислением напряжений) и перемещений. Однако по видам решаемых задач и изучаемых процессов их можно подразделить на пять основных классов (табл. 5.1).

Указанные в табл. 5.1. методы резко различаются между собой физическими принципами, применяемой аппаратурой, трудоёмкостью, точностью и надёжностью получаемых результатов и в зависимости от этих факторов применяются для решения конкретных задач геомеханики. Однако, с позиций иерархично-блочной модели массива пород одной из самых существенных характеристик методов, оказывающих решающее значение на их выбор, является «база», для которой данный конкретный

метод обеспечивает получение представительных результатов.

Фактически, под понятием «база» понимается объём массива пород, непосредственно вовлечённый в эксперимент в ходе применения тех или иных методов. Обычно мерой при этом являются линейные размеры, и в этом случае объём характеризуется как бы длиной ребра мысленно выделенного куба, в пределах которого

Классификация методов натурных измерений в геомеханике

Таблица 5.1

Класс методов	Определяемые параметры
I. Определение физических свойств и структурных харак-теристик массива горных пород.	1. Определение плотностных свойств пород. 2. Определение механических свойств пород. 3. Определение геометрических параметров структурных неоднородностей породного массива.
II. Исследование напряжённо-деформированного состояния массива горных пород и его изменений во времени.	1. Определение абсолютных и относительных напряжений и деформаций. 2. Наблюдения за изменениями деформаций и напряжений. 3. Определение смещений и напряжений при динамических воздействиях. 4. Определение параметров зон нарушенных пород вокруг выработок
III. Изучение взаимодействия пород с крепью и давления обрушенных пород	1. Измерения давления пород на крепь, днища блоков, закладку и пр. 2. Исследование крепи и механизированных комплексов.
IV. Определение макро-деформаций и перемещений (сдвижений) горных пород.	1. Измерение оседаний горных пород и земной поверхности. 2. Измерение горизонтальных сдвижений горных пород и земной поверхности. 3. Измерение деформаций в толще пород, окружающей выработки. 4. Измерение относительных смещений и макродеформаций пород в выработках.
V. Мониторинг состояния массива с помощью специальных систем.	1. Контроль изменений деформаций и напряжений. 2. Контроль изменений оседаний горных пород и земной поверхности. 3. Контроль изменений горизонтальных сдвижений горных пород и земной поверхности. 4. Контроль изменений сближений пород в выработках. 6 Контроль изменения давления пород на крепь. 7. Контроль параметров зоны нарушенных пород вокруг выработок.

получаемые результаты являются представительными. При дальнейшем рассмотрении конкретных методов на эту характеристику методов необходимо обращать самое серьёзное внимание.

Особое внимание необходимо уделить методу визуальных наблюдений - специальному виду наблюдений, который не включён в табл. 6.1, но имеет весьма существенное значение и практически всегда предшествует постановке и выполнению экспериментальных работ в натурных условиях массивов горных пород при решении любых задач геомеханики.

Сущность визуальных наблюдений состоит в фиксации видимых проявлений горного давления, деформирования и сдвижения горных пород Они позволяют получить те необходимые исходные сведения, которые не могут дать никакие инструментальные измерения, а именно: установить формы проявления изучаемых процессов и дать первые качественные представления о механизме исследуемых процессов в массиве пород, принимаемом обычно в качестве рабочей гипотезы, т. е. основы для выбора методики выполнения инструментальных измерений, а затем и для решения практических задач геомеханики методами моделирования и аналитическими методами.

Визуальные наблюдения позволяют в сравнительно короткий срок качественно проследить картину проявления процессов геомеханики на больших площадях шахтных полей, тогда как инструментальные наблюдения ввиду их гораздо более высокой трудоемкости и стоимости могут быть проведены всегда в каких-то ограниченных объемах.

Сочетание визуальных наблюдений с инструментальными измерениями позволяет:

• во-первых, правильно выбрать участки для инструментальных измерений;

• во-вторых, оценить представительность результатов инструментальных наблюдений путем качественного сравнения изучаемых процессов на тех участках, где проводили измерения, и на других участках, на которые стремятся распространить выводы, полученные по данным измерений;

• в-третьих, установить область применения результатов, полученных при инструментальных определениях.

Весьма важное значение имеют результаты визуальных наблюдений и для правильного последующего формулирования задач, решаемых аналитическими методами.

Вместе с тем визуальные наблюдения следует рассматривать и как вполне самостоятельный метод, особенно эффективный, когда необходимо дать прогноз состояния уже эксплуатирующихся выработок. При этом зачастую подобные оценки приходится выполнять в весьма срочном порядке, и потому инструментальные исследования и измерения проводить некогда, а порой и небезопасно.

Однако применение визуальных методов в качестве основного метода исследования при кажущейся их простоте требует большого опыта и, главное, весьма четкого представления о механизме происходящих явлений.

При этом необходимо отметить, что несмотря на большое значение и весьма широкое применение визуальных методов в геомеханике, к настоящему времени практически отсутствуют какие-либо методические разработки, регламентирующие их проведение в каких-то типовых условиях или для отдельных классов задач.

Исходя из этого, рассмотрим детально основные методические приёмы выполнения визуальных наблюдений на примере визуального обследования выработок, выполнявшегося сотрудниками Горного института КНЦ РАН для целей оперативной оценки устойчивости выработанных пространств и формулирования практических рекомендаций по их поддержанию в условиях скальных массивов слюдяных горнорудных предприятий.

Как известно, по правилам техники безопасности все горные выработки, работы в которых закончены или временно прекращены должны быть погашены (заложены пустой породой, искусственно обрушены) или закрыты перемычками, решётками, исключающими возможность доступа в них людей.

Однако, по разным причинам, в том числе достаточно объективным, эти требования не всегда вовремя выполняются и при продолжительных сроках эксплуатации месторождений в недрах накапливаются большие объёмы ранее выработанных пространств, состояние которых начинает внушать опасение с точки зрения их устойчивости и негативного воздействия на безопасность продолжения горных работ.

Подобная ситуация возникла в 70-х годах на рудниках слюдяной промышленности в условиях Ёнских, Мамских и Алданских месторождений, где к этому времени объёмы пустот от ранее отработанных участков месторождений достигли огромных размеров и меры по их погашению или изоляции требовали весьма существенных затрат времени и материальных средств.

С другой стороны, учитывая специфику месторождений, наличие изолированных разработанных жил, высокопрочных пород, небольших глубин, неосвоенных и малоценных в хозяйственном отношении территорий и дневной поверхности возникли справедливые сомнения в целесообразности погашения всех выработанных пространств, при этом выявилась необходимость оперативной оценки и прогноза степени устойчивости отработанных участков с целью выбора и обоснования рациональных методов их погашения или изоляции, экономичных, но обеспечивающих безопасную дальнейшую работу горного предприятия.

Как следует из поставленной задачи, наиболее рациональным методом получения необходимой информации в данных условиях было проведение широких визуальных обследований, поскольку организовать какие-либо представительные инструментальные наблюдения и измерения в выработанном пространстве было, практически, невозможно и небезопасно.

Для решения поставленных задач, прежде всего, была проведена паспортизация пустот, для чего на основании имеющейся графической геолого-маркшейдерской документации были составлены специальные таблицы, в которых приведены данные о геологических параметрах отработанных жил, сроках отработки, размерах выработанных пространств, их характерных особенностях (наличии или отсутствия связи с соседними отработанными участками, виде применявшейся системы работ, наличии породы, целиков или крепи в выработанном пространстве, мощности покрывающей толщи, характеристики дневной поверхности и пр.).