16

Лекция 4

2 часа.

Естественное поле напряжений массива горных пород

Породные массивы как объекты исследования в геомеханике имеют одну очень существенную особенность по сравнению с объектами, рассматриваемыми в механике вообще или в механике твёрдых деформируемых тел, в частности. До производства работ, т.е. ещё в своём изначальном состоянии они уже находятся в напряжённом состоянии, которое обычно называют естественным или начальным напряжённым состоянием.

Кроме того, ранее уже говорилось, что глубинные разломы и разрывы земной коры являются теми естественными швами, по которым на протяжении всей геологической истории Земли непрерывно происходили тектонические движения. Вполне очевидно, что если есть движения, то должны быть и силы, их вызывающие. Силы, обусловливающие тектонические движения, называют тектоническими.

Исходя из этих положений рассмотрим детальнее напряженное состояние земной коры в целом и верхней ее части, непосредственно являющейся объектом рассмотрения геомеханики.

При этом, в качестве исходного положения примем, что напряженное состояние земной коры в общем случае определяется действием в земной коре двух независимых силовых полей. Одно из них - гравитационное поле - в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона, другое - тектоническое поле - обусловлено неравномерным распределением в пространстве скоростей тектонических движений и скоростей деформаций земной коры, т. е. наличием градиента тектонических движений.

4.1. Напряжённо-деформированное состояние верхней части земной коры.

Гравитационное поле согласно закону всемирного тяготения обладает той особенностью, что оно не может быть отделено от материальных тел, его порождающих. Гравитационное поле Земли характеризуется ускорением свободного падения g, которое в общем случае является функцией расстояния r от центра Земли и плотности пород . Однако в пределах не только верхней части, но и всей толщи земной коры и верхней мантии изменения параметра g столь незначительны, что во многих практических расчетах можно принимать g = 981 см/с² 1000 см/с².

Тектоническое силовое поле отличается от гравитационного значительно большей сложностью. Оно связано с неравномерными распределениями в пространстве скоростей тектонических движений и деформаций земной коры.

Современные движения земной коры по виду и темпу подразделяют на несколько типов:

1. медленные или вековые движения отдельных участков земной коры, развивающиеся на протяжении, по крайней мере нескольких столетий;

1. сейсмические колебания - толчки различной силы и длительности, особенно интенсивные и частые в орогенических областях, но охватывающие и области платформ;

1. периодические колебания, связанные с гравитационным воздействием окружающих Землю космических тел, прежде всего Луны и Солнца (Лунно-Солнечные приливы);

1. сложные колебания поверхности Земли, связанные с сезонными изменениями метеорологических условий.

Поля тектонических напряжений в настоящее время связывают с первым из указанных типов движений.

Современные медленные движения земной коры имеют вертикальные и горизонтальные составляющие, скорости которых различны и зависят, главным образом, от тектонического типа региона, строения и местоположения участка земной коры.

Данные непосредственных измерений и наблюдений в нашей стране и за рубежом свидетельствуют о приуроченности высоких горизонтальных напряжений к зонам тектонических поднятий земной коры, причём уровень горизонтальных напряжений тем выше, чем выше скорость поднятий.

Поскольку районам поднимающихся блоков литосферы свойственна повышенная сейсмичность, между степенью тектонической напряжённости и сейсмичностью существует тесная связь.

Вместе с тем, длительные поднятия участков земной коры связаны с процессами горообразования на дневной поверхности, поэтому в подавляющем большинстве случаев районы, где фиксируются высокие горизонтальные напряжения, характеризуются гористым рельефом.

Характерными признаками тектонически - напряжённых массивов являются специфические проявления горного давления в подземных выработках, дискование керна и азимутальные искривления стволов буровых скважин, а также аномально высокие величины напряжений по данным прямых натурных определений.

По данным экспериментальных исследований в породах кристаллического и складчатого фундамента горизонтальные напряжения превышают вертикальные в 60% случаев, в осадочных породах - в 15-20%. Причём это превышение может достигать до 5-10 раз и тогда именно горизонтальные напряжения определяют особенности проявлений горного давления и устойчивость конструкций и сооружений. Более, чем в 60% горизонтальные напряжения ориентированы в пределах 30⁰ к горизонту.

Экспериментально обоснованные данные о действии в массивах наряду с гравитационным тектонического силового поля появились в 50-60-х годах. К этому времени в практике горных разработок стали сталкиваться с необычным поведением горных пород вокруг выработок, которые невозможно было совместить с имевшимися представлениями о формировании поля напряжений только под действием веса налегающих толщ пород. Так, на апатито-нефелиновых рудниках Хибинского массива на глубинах 100-150м в выработках, пройденных в весьма прочных породах ([_сж] = 1800 кгс/см²), стали наблюдаться интенсивные динамические явления - стреляния горных пород, представляющие собой внезапные, с сильным звуковым эффектом, отскоки от контура выработки тонких пластин породы массой от нескольких сотен граммов до десятков килограммов. При этом максимально возможные напряжения, обусловленные действием только веса налегающих пород на таких глубинах, не превышают 150-170 кгс/см², т. е. многократно ниже прочности пород. Подобные явления стали отмечать и в других районах - в Горной Шории, на Урале, а затем и в зарубежных странах.

Для выяснения причин наблюдаемых явлений, в рудниках начали выполнять прямые измерения действующих напряжений и изучать пространственные закономерности их распределения в массивах горных пород.

К настоящему времени измерения проведены на многих рудниках и в подземных сооружениях мира, в частности, на рудниках и в тоннелях Кольского полуострова, Горной Шории, Донбасса, Саян, Казахстана, Урала, Алтая, КМА, в палеозойских складчатых поясах Норвегии, Шпицбергена, Ирландии, в пределах Канадского кристаллического щита, в Африке, Юго-Восточной Австралии, Исландии, Альпах, Португалии, Малайзии, в восточной части территории США. В результате почти повсеместно было зафиксировано наличие в массивах горизонтальных сжимающих напряжений, в несколько раз превышающих возможные напряжения под действием гравитационных сил.

Весьма характерными примерами тектонически напряжённых массивов являются Хибинский и Ловозерский массивы на Кольском полуострове. Поэтому рассмотрим детально результаты исследований напряженного состояния этих массивов, проводившихся с 1960 г. лабораторией геомеханики Горного института КНЦ РАН.

Кольский полуостров, являющийся частью Скандинавского полуострова, относится к регионам, представленным раннедокембрийской материковой земной корой, т.е. он сложен наиболее древними горными породами и его становление охватывает огромный период времени - 1700-3590 млн. лет.

Геологическая история Кольского полуострова распадается на два крупных этапа:

1. Протогеосинклинальный и геосинклинальный;

1. Платформенный.

На первом этапе пластичная верхняя часть литосферы в пределах Кольской геосинклинальной зоны была смята в складки преимущественно северо-западного простирания. После стабилизации в среднем протерозое консолидированная земная кора реагировала на возникающие напряжения образованием разломов, главным образом, северо-западного и северо-восточного направлений, которые расчленили территорию региона на блоки различных размеров и конфигураций.

Хибинский и Ловозерский горные массивы являются крупнейшими в мире интрузиями нефелиновых сиенитов центрального типа. Их образование происходило в платформенном этапе развития Кольского региона и связано с герцинской эпохой (около 300 млн. лет) тектоно-магматической активизации Балтийского щита. Внедрение интрузий произошло в период активизации движений по глубинным разломам земной коры, к зонам которых и приурочены массивы.

Хибинский и Ловозерский массивы имеют в плане округлую форму в плане, плосковерхие очертания и пологие склоны под углом 10-30⁰ к горизонту. Здесь расположены наиболее высокие горы на Кольском полуострове, которые имеют высоту до 1 км над окружающими долинами. Массивы удалены друг от друга на расстояние около 10 км глубокой впадиной озера “Умбозеро” (глубина до 115 м) тектонического происхождения. Площадь Хибинского массива составляет 1327 км², наивысшая точка имеет абсолютную отметку 1191 м. Площадь Ловозерского массива составляет 587 км², самая высокая вершина - с отметкой 1120 м.

Хибинский и Ловозерский массивы по геоморфологическим данным с послеледникового периода испытывают поднятия над окружающей местностью. Большинство исследователей оценивают скорость поднятия в 1-3 мм/год.

Хибинский и Ловозерский массивы системой радиальных и кольцевых разломов разбиты на ряд геологических блоков неправильной формы (рис.4.1).

Рис.4.1 Схема тектонических разломов Хибинского и Ловозерского массивов.

1 - границы массивов; 2 - кольцевые разломы; 3 - радиальные разломы; 4 - границы породных комплексов; 5 - рудные тела.

На Хибинских апатитовых рудниках непосредственные измерения напряжений проведены на всех доступных горизонтах, в основном за пределами области влияния очистных пространств и, главным образом, в породах лежачего бока, представленных высоко упругими, слабо нарушенными ийолит-уртитами. Именно в таких условиях метод разгрузки дает наиболее надежные результаты. Обобщённые результаты измерений приведены в таблице 4.1.

Как следует из приведенных данных, на всех глубоких горизонтах сохраняется превышение горизонтальными напряжениями вертикальных. Причем это превышение может быть весьма существенным, особенно во вмещающих породах лежачего бока (до 10 и более раз).

Просматривается взаимосвязь измеренных горизонтальных напряжений с прочностными и деформационными свойствами пород. Более жестким, высокоупругим разностям соответствует больший уровень измеренных горизонтальных напряжений. Так, величина напряжений в уртитах в целом составляют (2570)МПа, в рудах (1550)МПа.

Наблюдается возрастание напряжений вблизи геологических нарушений. Например, на Расвумчоррском руднике в районе мощной зоны окисленных пород измеренные напряжения на гор.+470м достигают величины (5565)МПа, в то время как даже на более глубоком гор.+450м – (3045)МПа.

Результаты определений показывают также дальнейший рост напряжений с глубиной. Так, если на гор.+322м Кировского рудника в лежачем боку

Результаты натурных измерений напряжений

на Хибинских рудниках.

Таблица 4.1

Гори-зонт		Наименование пород		Максимальные напряжения S3 МПа	S2/S3	Азимут вектора S, град.		Наклон S3 к гори-зонту, град.
Кукисвумчоррское месторождение (Кировский рудник)
+322м	Богатые руды Бедные руды и вмещаю-щие породы		15-30 20-40		0.5-0.6 0.4-0.5		90±30 90±30		20±30 20±20
+252м	Богатые руды Бедные руды и вмещаю-щие породы		20-30 30-50		0.5-0.6 0.4-0.5		90±30 90±30		20±10 0±10
+172м	Богатые руды Бедные руды и вмещаю-щие породы		30-40 40-60		0.5-0.7 0.4-0.7		90±30 90±30		0±20 0±20
Юкспорское месторождение (Кировский рудник)
+600м	Богатые руды Бедные руды и вмещаю-щие породы		10-20 15-30		0.5-0.7 0.4-0.7		190±30 190±30		0±20 0±20
+410м	Богатые руды Бедные руды и вмещаю-щие породы		15-25 20-40		0.5-0.8 0.5-0.6		90±30 90±33		0±20 0±20
+320м	Богатые руды Бедные руды и вмещаю-щие породы		20-30 30-50		0.5-0.6 0.5-0.6		90±30 90±34		0±20 0±20
Месторождение Расвумчорр цирк (Расвумчоррский рудник)
+600м	Богатые руды, Бедные руды и вмещаю-щие породы		20-30 30-50		0.2-0.5 0.2-0.4		120±30 120±30		0±25 0±25
+530м	Богатые руды Бедные руды и вмещаю-щие породы		20-30 30-50		0.3-0.5 0.4-0.5		120±30 120±30		0±25 0±25
+470м	Богатые руды Бедные руды и вмещаю-щие породы		30-50 50-70		0.3-0.6 0.4-0.7		110±30 110±30		0±25 0±25

максимальные напряжения составляли 30МПа, на гор.+252м 42МПа, то последними измерениями в околоствольных выработках вспомогательного ствола в районе разреза 12 на гор.+172м и +92м получены напряжения, соответственно 50МПа и 57МПа.

Общей закономерностью полей напряжений массива пород на рудниках Хибинского массива является снижение степени их неоднородности по мере увеличения глубины разработки и уменьшения степени влияния рельефа.

Так, на Расвумчоррском руднике, в связи с относительно высокими отметками дна Расвумчоррской долины и обширным плато, окружающим рудник с трех сторон, уже гор.+530м и +470м относятся к глубинным и поэтому параметры поля напряжений здесь наиболее стабильные по площади и глубине по сравнению с другими рудниками.

На Юкспорском руднике параметры поля напряжений наиболее изменчивы. Отрабатываемые гор.+460м и +410м, а также подготавливаемый к отработке гор.+320м являются переходными от нагорных к глубинным, и поэтому распределение напряжений здесь весьма неравномерно как по глубине, так и по площади и в значительной мере определяется положением точки измерения относительно элементов рельефа.

В целом, обобщая все результаты определения напряжений на действующих и разведуемых месторождениях Хибин с использованием различных методов исследований: разгрузки, сейсмических, инклинометрических измерений искривления геологоразведочных скважин и разрушения их поперечного сечения, дискования керна, а также реконструкции по тектонофизическим данным, можно видеть, что максимальные сжимающие напряжения направлены вдоль дуги рудоносных ийолит-уртитов на всём её протяжении в соответствии с особенностями строения Хибинского массива (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема действия тектонических напряжений на эксплуатируемых и перспек-тивных месторождениях Хибин.

:1 - направления тектонических напряжений по данным инструментальных исследований; 2 - прогнозные направления тектонических напряжений; 3 - месторождения (1 - Кукисвумчоррское; 2 - Юкспорское; 3 - Апатитовый Цирк; 4 - Плато Расвумчорр; 5 - Коашва; 6 - Олений ручей); 4 - нефелиновые сиениты; 5 - массивные слюдяные рисчорриты; 6 - рисчорриты; 7 - ийолит-уртиты; 8 - гнейсовидные рисчорриты; 9 - трахитоидные ийолиты; 10 - апатито-нефелиновые породы.

Горизонтальные тектонические силы проявляются не только в породах кристаллического фундамента, но и в осадочных толщах пород, начиная с глубин в несколько километров. Об этом свидетельствуют, в частности, сверхвысокие или аномально высокие пластовые давления, которые присущи нефтяным и газовым месторождениям, приуроченным к подвижным неотектонически активным зонам на суше и на шельфах морей во всем мире.

Таким образом, к настоящему времени установлены некоторые закономерности в распределении тектонических сил:

1. горизонтальные напряжения приурочены к районам восходящих движений блоков земной коры;

2. региональные поля напряжений соответствуют общим структурам месторождений;

3. наиболее высокие значения горизонтальных напряжений отмечаются у границ блоков вблизи геологических нарушений, в самих зонах геологических нарушений горизонтальные напряжения имеют сравнительно невысокие значения;

4. в элементах гористого рельефа высокие значения горизонтальных напряжений наблюдаются ниже дна долин; выше местных базисов эрозии, ближе к вершинам гор горизонтальные напряжения минимальны по величине; количественные различия достигают 3-5 раз;

5. горизонтальные напряжения выше в более упругих и монолитных породах; при увеличении модуля упругости от 2.10⁴ до 8.10⁴ МПа и скоростей продольных волн от 2.10³ до 7.10³ м/с тектонические напряжения увеличиваются от 10 до 60 МПа.

Вообще говоря, кроме этих двух полей в земной коре действуют ещё много других факторов, которые вносят свой вклад в формирование общего поля напряжений. К ним относятся условия генезиса массива, температурные поля, физические свойства горных пород, рельеф земной поверхности, действие подземных и наземных вод и газов, космические факторы. Однако все эти факторы можно рассматривать как искажающие основное гравитационно-тектоническое поле напряжений, хотя суммарный их вклад может быть очень велик и намного превосходить гравитационно-тектонические параметры поля напряжений.