2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................... 5
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................... 12
1.1. Напряженное состояние земной коры............................ 12
1.2. Структура и деформационные свойства земной коры исследуемых регионов.......................................................... 26
1.3. Природа и свойства нарушений сплошности...................... 36
1.4. Методы математического моделирования в геомеханике........... 40
1.5. Цели и задачи исследования................................... 48
2. РАЗВИТИЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СТРУКТУ-РИРОВАЬ1НЫХ СРЕД.................................................. 52
2.1. Вывод основных соотношений метода конечных элементов в двумерном случае для четырехугольных элементов.................... 52
2.2. Основные соотношения метода конечных элементов в трехмерном случае............................................................ 59
2.3. Формирования ансамбля. Разрешающая система уравнений и ее размерность....................................................... 65
2.4. Моделирование нарушений сплошности. Матрица жесткости линейного контакт-элемента.......................................... 67
2.5. Моделирование нарушений сплошности для трехмерных задач...... 71
2.6. Особенности программ 2МКЭЧК и ЗМКЭГК......................... 75
2.7. Выводы ио разделу............................................ 77
3. МОДЕЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ МАЛОМАСШТАБНЫХ ОБЪЕКТОВ 79
3.1. Проверка точности алгоритма: сравнение аналитического и численного решений........................................................... 79
3
3.2. Определение деформационных характеристик нарушений сплошности
по данным лабораторных испытаний образцов горных пород................. 83
3.3. Анализ напряженного состояния массива, ослабленного вертикальным нарушением сплошности.................................................. 97
3.4. Выводы по разделу................................................. 106
4. ЗАДАЧИ МЕХАНИКИ ГОРНЫХ ПОРОД ДЛЯ МАССИВОВ СЛОЖНОЙ СТРУКТУРЫ............................................................. 107
4.1. Исследование процесса деформирования и разрушения наклоннослоистого горного массива............................................. 107
4.2. Напряженное состояние массива в окрестности месторождения, пересеченного крутопадающей дайкой........................................ 118
4.3. Поэтапная оценка состояния горных пород для массива со сложной морфологией рудного тела.............................................. 127
4.4. Способ включения данных натурных измерений напряжений в геомеханическую модель.............................................. 136
4.5. Выводы по разделу................................................. 145
5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕМНЫХ ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ............................... 147
5.1. Методика подготовки данных для решения трехмерных задач........ 147
5.2. Особенности формулировки граничных условий для основных геодинамических режимов............................................... 151
5.3. Объемные поля напряжений Байкальской рифтовой зоны................ 155
5.4. Возможность применения плоских моделей для исследования объемных полей напряжений.................................................... 170
5.5. Поведение тектонических нарушений в поле растяжения............... 178
5.6. Напряженное состояние земной коры вблизи сейсмоактивных разломов
при сбросовом геодинамическом режиме................................... 181
5.7. Изменения полей напряжений, вызываемые внешними и внутренними факторами............................................................. 193
4
5.8. Выводы по разделу.......................................... 198
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕМНОГО НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ РЕГИОНАЛЬНОГО СЖАТИЯ...................................... 200
6.1. Оценка горизонтальных напряжений Алтае-Саянской складчатой области по сейсмологическим данным.............................. 200
6.2. Моделирование полей региональных напряжений................ 206
6.3. Детальная геомеханическая модель Таштагольского месторождения и оценка техногенных последствий горных работ..................... 215
6.4. Выводы по разделу.......................................... 235
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................... 237
ЛИТЕРАТУРА...................................................... 240
ВВЕДЕНИЕ
5
Актуальность проблемы. Современные масштабы и характер инженерной деятельности в области освоения и эксплуатации недр обусловливают серьезные нарушения окружающей среды. Неоднородность и изменчивость в пространстве и во времени геологических структур и геофизической среды в целом приводят к появлению широкого спектра источников динамической неустойчивости, районов сейсмической опасности.
Состояние проблемы безопасности работ по освоению подземного пространства требует проведения комплексных фундаментальных и прикладных исследований. Один из путей решения проблемы - построение геомеханических моделей типовых и уникальных объектов, создание и совершенствование методов оценки изменения физических полей в условиях естественных и антропогенных воздействий.
Увеличение объемов добычи полезных ископаемых, сооружение крупных инженерных объектов, а также другие виды техногенного воздействия на геологическую среду существенно изменяют геомеханическую ситуацию в пределах региона и приводят к формированию сложной структуры полей напряжений.
Задачи градостроительства - проектирование новостроек и оценка безопасности уже заселенных районов - требуют оценки региональных полей напряжений, особенно в областях повышенной сейсмической активности.
Напряжепно-деформированиое состояние пород является важнейшей характеристикой, определяющей устойчивость массива.. Однако современный уровень знаний в механике горных пород не позволяет однозначно предсказать все аспекты поведения массива горных пород при эксплуатации крупномасштабных сооружений. Поэтому исследования должны быть направлены на: установление общих закономерностей деформирования массива с учетом его геологоструктурных особенностей и наличия наземных и подземных сооружений, а так же оценку напряженного состояния в массиве и в зонах разломов для
определения опасных участков, нарушение равновесия которых возможно при данном режиме деформирования.
Стремительное развитие вычислительной техники за последние 5-7 лет (создание компьютеров производительностью до 600 мегафлопУсек) и появление многочисленных пакетов программ для решения прикладных задач (в том числе и механики горных пород) обусловливает с одной стороны - смещение акцента в геомеханических исследованиях: основное внимание должно уделяться
методологии наполнения фактическими данными моделей объектов и явлений; с другой стороны - высокая стоимость таких пакетов*, а также наличие в них возможных ошибок (личный опыт автора) вынуждает разрабатывать оптимальные алгоритмы для решения специфических задач, возникающих при реализации построенных моделей.
Это особенно важно для крупномасштабных объектов. В настоящее время существует множество моделей глобальных и региональных явлений (субдукция, региональное растяжение рифтовых зон и т.д.), которые в лучшем случае предлагают феноменологический механизм. Для построения реальной геомеханичсской модели, адекватно описывающей поведение исследуемого объекта недостаточно прямых данных (а зачастую их и не существует) о свойствах среды и действующих в нем физических полях. Поэтому необходимо привлекать косвенные данные, которые несут опосредованную (как правило, интегральную) информацию о полях напряжений и деформаций, свойствах тектонических нарушений и т.д. Необходима также методика включения такой информации в геомеханические модели. Результаты расчетов но построенным моделям могут быть использованы для: оптимального выбора направления горных работ на стадии проектирования шахты или рудника; оценки магнитуды возможных динамических событий (по величине запасенной потенциальной энергии в очаговых зонах) и т.д.
* если цена лицензионного пакета UDEC для решения двумерных упруго-пластических задач сос тавляет около 6000$, то версия 3DEC (решение трехмерных задач) стоит уже 50000$ (Рекламные материалы ITASCA Consulting Group Inc. Minnesota, USA, 1996).
7
Таким образом, построение объемных геомеханических моделей на основе комплекса сейсмологической, тектонофизической и геологической информации, а также методов включения в такие модели данных прямых измерений напряжений и деформаций может быть квалифицировано как новое перспективное направление в механике деформируемого твердого тела и механики сыпучих тел, грунтов и горных пород и представляет собой актуальную проблему, направленную на: обеспечение эффективности и безопасности разработки месторождений полезных ископаемых; прогноз катастрофических природных и техногенных явлений.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с плановой тематикой ИГД СО РАН: “Развитие методов диагностики, контроля и управления состоянием и свойствами горных пород” (№ гос.рег. 811081325, 1985-1990 гг.); “Изучение процессов деформирования и разрушения горных пород и сыпучих материалов при статическом и динамическом нагружениях” (№ гос.рег. 01860072595, 1991-1995 гг); ведомственными программами: “Исследовать методами математического моделирования защитные свойства железобетонного перекрытия с широкими рудными целиками, включающими ослабляющие элементы” (1989-1990 гг.); “Создание ресурсосберегающих экологически безопасных технологий разработки рудных месторождений в сложных геомеханических условиях больших глубин” (№ гос.рег. 01960002244, 1996 г.); грантами Российского Фонда Фундаментальных Исследований: “Сейсмогенерирующая разломная зона как динамическая система и механизмы ее неустойчивости” (№ 94-05-17060, 1994-1996 гг.); “Комплексный подход к исследованию геомеханических объектов с использованием экспериментальных данных о полях напряжений и свойствах нарушений” (№ 95-05-15604, 1995-1997 гг.).
Цель работы состоит в построении модели геомеханического объекта по прямой (данные натурных измерений) и косвенной (сейсмотектонической) информации, и на ее основе разработка методики расчета напряженно-деформированного состояния месторождений и геологических структур верхней части земной коры.
8
Научная новизна работы.
1.11редложено обобщение специального контакт-элемента для трехмерного моделирования межблочного взаимодействия. Обоснован выбор гексаэдрической формы для элементов сплошной среды и нарушений, что значительно упростило формирование глобальной матрицы жесткости. Разработан алгоритм, реализующий метод конечных элементов с использованием гексаэдров. Показано, что матрица жесткости гексаэдра вычисляется аналитически при наличии двух пар параллельных граней.
2. Разработан способ определения деформационных и предельных характеристик межблочных нарушений по результатам двухосных испытаний образцов горных пород посредством решения задачи, моделирующей процесс нагружения.
3. Создан алгоритм адекватного выбора входных параметров объемной геомеханической модели, основанный на использовании сейсмотектонической информации о полях напряжений и деформаций. Предложена схема включения в модель результатов прямых измерений напряжений.
4. Определены условия, при которых исследование объемного напряженно-деформированного состояния объектов земной коры правомерно проводить на основе моделей плоского деформированного или плоского напряженного состояний в зависимости от соотношений главных напряжений, положения основных геологических структур и физических свойств пород. Созданная модель крупномасштабного объекта позволила установить области концентрации напряжений в окрестности концов разломов при региональном растяжении.
5. Разработан способ количественной оценки параметров граничных условий (коэффициентов бокового отпора) на основе минимизации функционала, представляющего собой среднеквадратичное отклонение взятых из натурных данных и вычисленных (модельных) напряжений.
6. Предложенная методика реализована при построении объемной модели месторождения, позволившей адекватно описать технологическую схему
9
разработки и сделать прогнозную оценку напряженио-деформировапного состояния массива.
Методы исследования включают аналитические методы механики твердого тела и численный (метод конечных элементов) для решения двух и трехмерных задач об оценке напряженного состояния структурированной среды; анализ и обобщение результатов натурных и лабораторных экспериментов, сейсмологической и геологической информации для их адекватного отражения в математических моделях.
Достоверность результатов обеспечена корректностью постановки рассматриваемых задач и методов их решения; сравнением результатов тестовых расчетов с аналитическими решениями соответствующих задач и исследованием сходимости итерационных процессов; сопоставлением экспериментальных данных и численных решений, полученных при моделировании реальных объектов.
Практическую значимость составляет предложенная в диссертации методика оценки изменения объемною напряженного состояния массива горных пород при воздействии на него как природных, гак и техногенных факторов, которая позволяет обосновывать технологии разработки месторождений в сложных геомеханических условиях и в зонах влияния нарушений (разломов). Основная часть работы выполнялась в соответствии с плановой тематикой ИГД СО РАН: “Развитие методов диагностики, контроля и управления состоянием и свойствами горных пород” (№ ГР 811081325); “Изучение процессов деформирования и разрушения горных пород и сыпучих материалов при статическом и динамическом нагружениях” (№ ГР 01860072595); ведомственными программами: “Исследовать методами математического
моделирования защитные свойства железобетонного перекрытия с широкими рудными целиками, включающими ослабляющие элементы” (1989-1990 гг.); “Создание ресурсосберегающих экологически безопасных технологий разработки рудных месторождений в сложных геомеханических условиях больших глубин” (№ ГР 01960002244); проектами РФФИ: “Сейсмогенерирующая разломная зона
10
как динамическая система и механизмы ее неустойчивости” (№ 94-05-17060); “Комплексный подход к исследованию геомеханических объектов с использованием экспериментальных данных о полях напряжений и свойствах нарушений” (№ 95-05-15604).
Реализация исследовании. На основе проведенных в работе аналитических и численных исследований обоснована перспективная технология разработки рудных тел с жесткими породными включениями (дайками), оценено горное давление вблизи рудного тела со сложной морфологией при высоких тектонических напряжениях (Николаевское полиметаллическое месторождение). Результаты выявленных закономерностей процесса деформирования крутопадающих угольных пластов переданы в Сибирский филиал ВНИМИ. Созданные программы использованы при выполнении исследований в рамках проекта РФФИ “Глубинные разломы Прибайкалья, их воздействие на напряженное состояние земной коры, сейсмичность и геотермический режим (тектонофизический анализ)” (№ 97-05—96357) и Интеграционного Проекта СО РАН “Трехмерная геодинамическая модель Центральной Азии в кайнозое” (№ 97-22).
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: V Всесоюзном семинаре “Аналитические методы и применение ЭВМ в механике гордых пород” (Новосибирск, 1985), Всесоюзной конференции “ЭВМ и науки о Земле” (Новосибирск, 1986), X Всесоюзной конференции по численным методам решения задач теории упругости и пластичности (Красноярск, 1987), II Сибирской школе по современным проблемам механики деформируемого твердого тела (Якутск, 1990), VII Всесоюзной научной школе “Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках” (Алушта, 1990), Х1-Х1И Международных Школах по моделям механики сплошной среды (Владивосток, 1991; Казань, 1993; Санкт-Петербург, 1995), Девятой зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1991), [Международном симпозиуме “Физические проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения” (Ижевск, 1992), IV школе-семинаре
11
по фундаментостроению и охране геологической среды (Сочи, 1992), 13 и 16 Межреспубликанских конференциях по численным методам решения задач теории упругости и пластичности (Новосибирск, 1993; Новосибирск, 1999), Международной научной конференции “Сопряженные задачи физической механики и экология” (Томск, 1994), II Европейской конференции но механике твердого тела (Генуя, Италия, 1994), Первом Международном семинаре “Напряжения в литосфере (глобальные, региональные, локальные)” (Москва
1994), семинаре “Инженерная геология” в Королевском Технологическом Институте под руководством профессора О. Стефанссона (Стокгольм, Швеция,
1995), 29 Генеральной ассамблее Международной ассоциации по сейсмологии и физике Земли (Салоники, Греция, 1997), Международной конференции “Литосфера - методы изучения, результаты” (Новосибирск, 1998), семинаре по геодинамике Объединенного Института геологии, геофизики и минералогии СО РАН под руководством академика Н.Л. Добрецова (Новосибирск, 1999).
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
12
1.1. Напряженное состояние земной коры
При изучении поля напряжений земной коры необходимо учитывать совокупность влияющих на ею формирование факторов, таких как тектонические процессы, сейсмические события, техногенные явления, обусловленные деятельностью человека и т.д. [11.
Следует отметить, что “в принципе невозможно непосредственно измерить напряжения, действующие в твердой среде, будь то слагающая массив порода либо искусственная конструкция из металла, бетона и т.п. Оценить их качественно и, что наиболее важно для практики, количественно удается по проявлению в различных механических и геофизических процессах деформируемости, скорости распространения возмущения, электропроводности и т.д.” [2].
Существует три основных метода определения знака и ориентировки напряжений в земной коре (литосфере) [3]:
1) метод определения характера смещений в очагах землетрясений (сейсмофокальный механизм);
2) изучение ориентировки и знака перемещений по геологическим индикаторам - сколовым трещинам, штрихам и бороздам на зеркалах скольжения и др.;
3) изучение напряженного состояния пород в буровых скважинах и горных выработках (штольнях, шахтах).
Для оценки региональных полей напряжений (на площадях до нескольких тысяч квадратных километров) успешно используют геолого-структурные и сейсмологические методы. Их сочетание успешно объединено в обширных исследованиях, проведенных по исследованию напряжений юга Сибири - Алгас-Саянской складчатой области и Байкальской рифтовой зоны [4-10].
13
Сейсмологические методы - это методы реконструкции полей напряжений по анализу механизма очагов землетрясений [11-12]. Для определения фокальных механизмов землетрясений на сейсмограммах смотрят знак первых вступлений продольных волн. Частица породы в точке фокальной сферы с приходом волны смещается по радиусу либо внутрь сферы - к центру (первое вступление в фазе растяжения), либо наружу - от центра (в фазе сжатия) [13]. Плоскости, разграничивающие области сжатия и растяжения на стереофамме с центром в эпицентре землетрясения, называются нодальными и отвечают плоскостям, вдоль которых могло произойти смещение во время данного землетрясения. Одна из них - плоскость разрыва. В зависимости от начальных смещений в центре фокальной сферы имеем разные виды разрывов: если в фазе растяжения, то имеем сброс; в фазе сжатия - взброс; может быть также сдвиг', т.е. разлом со смещением по простиранию [14]. По анализу сейсмограмм в районе рифтовых зон установлены нормальные сбросы с нодальными плоскостями, простирающимися параллельно рифтовой долине, это означает, что региональные напряжения являются растягивающими [14].
Следующая группа методов исследования напряженного состояния земной коры основана на использовании чисто геологических индикаторов - геолого-структурпые - по анализу тектонической трещиноватости реконструируются главные вектора полей напряжений ([15-18,1]):
• анализ ориентировки сопряженных сколовых трещин, предложенный М.В. Гзовским, когда положение оси сжатия определяется по биссектрисе острого угла между сколовыми трещинами, оси растяжения - по биссектрисе тупого угла, а промежуточной оси - по линии пересечения трещин.
• изучение штрихов и борозд, наблюдаемых на зеркалах скольжения, образующихся при сдвиговых смещениях, ориентированных, как правило, вдоль вектора касательных напряжений (О.П. Гущенко, Ж. Анжелье [17])
14
• структур но-парагенетический с двумя категориями индикаторов тектонических напряжений: минеральные жилы, дайки магматических пород и плоскости рассланцевания, сколовые трещины.
Исследования напряжений с помощью геологических индикаторов, проведенные Л.М. Расцветаевым, Л.А. Симом и др. [19,20] на севере европейской территории России, позволили заключить, что обширный регион, принадлежащий одной литосферной плите - Евроазиатской, по характеру полей напряжений разделяется на несколько блоков - субплит - с напряжениями разных знаков и ориентации.
Большой авторитет в последние десятилетия приобрели натурные измерения напряженного состояния горных пород [1,2]. В горном деле исследование напряженно-деформированного состояния горных пород используется для обоснования крепежных работ в горных выработках.
Изучение напряженного состояния пород в скважинах основано на наблюдениях как естественных деформаций ствола скважины (по искажению поперечного сечения ствола скважины определяется ориентировка оси максимального сжимающего напряжения), так и искусственно вызванных деформаций пород слагающих ствол (4‘гидpopaзpыв,,, при котором образуются трещины, ориентированные вдоль максимального сжимающего напряжения).
Обследование состояния выработок и фиксация при этом участков локальных разрушений пород, ориентировки в пространстве таких участков позволяет получить качественную характеристику поля напряжений, а именно оценить, является ли оно гидростатическим или нет; к горизонтальному или же вертикальному направлению близко направление наибольшего сжимающего напряжения и т.д. [21]. Например в случае достаточно большого главного сжимающего напряжения, действующего в горизонтальном направлении, будет происходить хрупкое разрушение пород в стенках вертикальных выработок на участках, простирание которых близко к направлению действия этого напряжения. В выработках, простирание которых совпадает с направлением действия наибольшего сжимающего напряжения, разрушение пород кровли происходить не
15
должно вообще или оно минимально. В выработках же, простирание которых ортогонально к направлению действия этого напряжения, хрупкое разрушение пород кровли достигает наибольшей интенсивности [21].
Для определения деформационных свойств и предельных характеристик горных пород проводятся испытания образцов на специальных установках в лабораторных условиях (например, работы Л.Н. Ставрогина с соавторами [22,23]). Эти данные затем используются при моделировании полей напряжений в массиве.
Гзовским М.В. построена схема районирования территории бывшего СССР по абсолютному значению верхнего предела максимальных касательных напряжений в земной коре [24]. Были выделены четыре типа областей (рис. 1.1): тип I - наименее подвижные платформенные области с минимальной сейсмичностью (например, Балтийский кристаллический щит); наибольшие касательные напряжения в них характеризуются значениями 10 ±5 МПа;
тип II - более подвижные и сильно деформируемые области (например, Урал) с наибольшими касательными напряжениями равными 40±20 МПа;
тип III - еще более подвижные области (например, Алтай) с наибольшими касательными напряжениями 70±35 МПа;
тип IV - наиболее подвижные и интенсивно деформируемые области (например, Тянь-Шань, Байкальская рифтовая зона), где возможны наибольшие кратковременно действующие напряжения до 100 ± 50 МПа.
Широко распространена классификация напряжений по Е. Андерсону [25], где значения минимальной и максимальной компонент горизонтальных напряжений Быт« и Битах меняются относительно вертикального напряжения Бу (вызванного гравитационными силами). Три соотношения между главными напряжениями возможны по схеме Андерсона, с каждым из которых обоснована связь с одним из трех главных типов разломообразования в литосфере (рис. 1.2).
Классификация режимов напряжений в литосфере включает эти три соотношения главных напряжений [26]:
I ЕЗ
II шиш
III кхз
IV Ш
Схема районирования территории бывшего СССР по абсолютному значению верхнего предела максимальных касательных напряжений (по М. В. Гзовскому)
5-15 МПа 20-60 МПа 35-105 МПа 50-150 МПа
рис. 1.1
С
Vi
разЛ0
миь'е
pe#
uMbl
вЛ
7\
взбР0
s.-ö>
вбг
|Совьіи
■Öl
Ч*бг
S,?6''
püC-
1.2
18
• сбросовый тип попей напряжений (normal faulting stress regime), соответствующий сбросовому характеру смещений по возможным плоскостям разрывов
• сдвиговый тип полей напряжений (strike-slip faulting stress regime), соответствующий сдвиговому характеру смещений по возможным плоскостям разрывов
• взбросовый тип полей напряжений (thrust faulting stress regime), соответствующий взбросовому характеру смещений по возможным плоскостям разрывов - со скольжением образ ным сбросу
По терминологии МЛ. Зобак [26], напряжения типа (1.1.1)- растягивающие, типа (1.1.2) и (1.1.3) - сжимающие.
Следует отмстить, что эволюция напряжений во времени связана с процессами изменения толщины литосферы [27]. Так в месте ее утолщения имеем сжатие в верхней коре
Когда ссылаются на описанные типы полей напряжений (1.1.1)-(1.1.3), имеют в виду относительные значения трех главных напряжений, но не их абсолютные величины. Напряжения Shmjn, SHmax и Sv имеют различные относительные значения в зависимости от геологического окружения, поэтому не являются a priori главными сжимающими напряжениями
Соотношения (1.1.1)-(1.1.3) можно трактовать в терминах главных напряжений а, ,о2 ,а3, имея в виду формулу (1.1.6) [28]:
(1.1.1)
(1Л.2)
(1.1.3)
SHmax ^ Sv >
в местах утоньшения происходит растяжение в верхней коре
SHmax < Sv •
(1.1.4)
(1.1.5)
(1.1.6)
19
• сброс: вертикальное напряжение является максимальным главным а, (и разрушение происходит но плоскости под углом к нему);
• сдвиг: вертикальное напряжение является средним главным ст2 (и разрушение происходит по плоскости в нормальном по отношению к нему направлении);
• взброс: вертикальное напряжение является минимальным главным <з} (и
разрушение происходит по плоскости, пересекающей его направление под некоторым углом).
С 1986 по 1992 гг. группой ученых, из 18 стран под руководством М.Л.Зобак [29] составлялась Мировая карта напряжений с использованием всех перечисленных выше методов их изучения - рис. 1.3 [26]. На рисунке широкие стрелки с направлением внутрь показывают Битах ориентацию в взбросовом поле напряжений (1.1.3); стрелки с направлением наружу соответствуют Бышп ориентации в сбросовом поле напряжений (1.1.1); сдвиговое поле напряжений (1.1.2) показано широкими стрелками внутрь (5мтах направление) и тонкими стрелками наружу (Бь,™ направление). Размер стрелок пропорционален количеству и согласованности исходных данных.
Согласно Мировой карте напряженного состояния поверхности Земли [26], Байкальский регион имеет сбросовое поле напряжений, при котором максимальные главные напряжения - вертикальные (1.1.1).
Прямых измерений напряжений в глубоких скважинах, которые бы позволили установить значения напряжений в земной коре, крайне мало. В работах [30,31] приводятся величины напряжений Б^п, Бптах и Бу для глубин до 6 км: до глубины 3 км значения напряжений определяются из экспериментов по гидроразрыву; на глубинах от 3 км до 6 км дается лишь опенка полей напряжений. Измеренные минимальные горизонтальные напряжения Бьтт* деленные на вертикальные Бч. убывают с глубиной (до 2-3 км от поверхности Земли) по гиперболическому закону [31] (рис. 1.4). На рис. 1.5 представлены кривые, характеризующие отношение горизонтальных Бнтах к Бу напряжениям как
Мировая карта напряжений
рис. 1.3
21
Зависимость отношения минимального горизонтального напряжения к вертикальному от глубины ( экспериментальные банные [57])
рис. 1.4
22
Зависимость отношения максимального горизонтального напряжения к вертикальному от глубины (экспериментальные данные [27] )
Знмх^Зу
рис. 1.5
23
функцию глубины в земной коре для различных континентов (Скандинавии, Канады, Австралии, Соединенных Штатов, Южной Африки) [27]. На глубинах, больших 5-10 км оценить соотношения главных напряжений можно лишь по фокальным механизмам землетрясений [26].
Напряжения в земной коре могут отклоняться от исходных вследствие или естественных процессов, или от воздействия человека |27]. Существенные изменения от исходного напряженного состояния происходят, например, при отработке месторождений полезных ископаемых и других действий людей и, таким образом, не имеющих отношения к естественным процессам в литосфере.
Тектонические напряжения обычно ассоциируют с горизонтальными компонентами поля напряжений [27]. Они обусловлены влиянием тангенциального сжатия в материковых частях земной коры на всех масштабных уровнях от регионального до локального [21,32]. Однако различие между региональными и локальными напряжениями нарушается в определенных геологических условиях (например, вблизи даек) [27]. По оценке М.Л.Зобак [26], величина локального напряжения может быть равна величине регионального напряжения или превосходить ее до 2.5 раз. При натурных исследованиях напряженно-деформированного состояния горного массива в разных регионах (Кольский полуостров, Норильск, Донбасс, Кузбасс и Горная Шория), отмечены проявления тектонических процессов наравне с гравитационными силами [33]. Так, на рудниках Хибинского массива и Горной Шории в выработках, пройденных в весьма прочных породах, уже на глубинах 100-150 м и более стали наблюдаться интенсивные динамические явления - стреляние горных пород [34,35] - которые не могут быть вызваны воздействиями только гравитационных сил [21 ].
Для ряда рудных месторождений величина максимальных горизонтальных напряжений превышает вертикальные в 2 раза и более. Например, на Таштагольском руднике, вне зоны влияния горных работ горизонтальные в 1.3-2.5 раза больше вертикальных напряжений [36].
Измеренные горизонтальные напряжения на рудниках Кольского полуострова составляют 20-50 МПа на глубине около 100 м и около 60 МПа на
24
глубине 400-550 м [371. На рудных месторождениях Средней Азии горизонтальные напряжения в 2-3 раза превышают вес столба пород [37,38]. На рудниках Урала (Дегтярском и Карабашском) в субширотном направлении действуют сжимающие напряжения 49 и 34 МПа, а в субмеридиальном -растягивающие 9 и 13 МПа [37].
Следует отметить значительное различие естественного (первичного) и наведенного (вторичного) полей напряжений. Так, натурные замеры на 'Гаштагольском руднике позволили установить, что поле напряжений на горизонте - 280 м характеризуется следующим соотношением компонент напряжений: о, : о2 : ст3 = 4.3:2.6:1.0 (94.1 МПа, 57.1 МПа, 22 МПа) [39]. Изменение этого состояния происходит на всех стадиях ведения горных работ. При этом наиболее существенный рост напряжений происходит в зонах их концентрации после образования отрезной щели.
Наличие тектонических полей напряжений на месторождениях Горной Шории и Хакасии обусловлено геологическими процессами глобального характера. Месторождения находятся в пределах сейсмоактивной зоны Алтае-Саянской складчатой области, в которой имеют место современные движения земной коры [21].
Известно, что места землетрясений - это районы разрядки высоких напряжений, а места накопления последних - это области подготовки землетрясений [1]. Авторы работы [11] полагают, что местоположение очагов сильных внутриплитных землетрясений определяется расположением ослабленных зон в коре (разломов). Так, в Байкальской рифтовой зоне эпицентры землетрясений тяготеют к осевой ее части, близкой к центральному разлому. Как и на территории Китая, здесь сейсмодислокации располагаются приблизительно перпендикулярно вектору максимального растягивающего напряжения.
Землетрясения, как правило, ассоциированы с тектоническими нарушениями и вызывают значительные сдвиги по главным разломам; например,
25
при землетрясении 1992 года в Калифорнии (с магнитудой М-13) протяженность области распространения подвижек достигла 85 км [40].
Во внутриконтинентатьной части России Байкальская рифтовая зона -наиболее сейсмически активный регион с 9-10 балльными зонами сейсмической опасности [41]. Например, в районе дельты реки Селенга за последние 150 лет произошло три 9-10 балльных землетрясения [42].
Сейсмическая активность Ллтае-Саянского региона, оценивается в целом в 7 баллов по 12-ти балльной шкале [9], причем землетрясения имеют характер, как природной сейсмичности, так и наведенной [9]. Так, в 1988 г. в районе Кочуринского разлома произошло землетрясение силой 5-6 баллов при их общем количестве более 900 [38].
В связи со строительством крупных народнохозяйственных объектов особенно важны вопросы, связанные с наведенной сейсмичностью. Гак, например, замечено, что образование водохранилищ может вызвать увеличение сейсмической активности [43]. Горные удары в шахтах и наведенная сейсмичность, связанная с отработкой полезных ископаемых, исследовалась во многих работах (например, [44-45]).
Таштагольское месторождение отнесено к угрожающим по горным ударам с 1973 г. Наиболее крупные динамические проявления горного давления отмечены на руднике при отработке запасов в этаже - 140...-70 м в начале 80-х годов, когда в результате толчков и горных ударов разрушались горные выработки [36,38]. При взрыве блока породы на вводимом в эксплуатацию этаже -210...-140м Таштагольской сейсмостанцией был зафиксирован одновременно со взрывом блока, толчок с эквивалентом в 125 т ВВ (превышение в 29 т ВВ) [46]. При этом в результате резкого перераспределения напряжений в районе вырезки были отмечены разрушения на расстоянии до 135-160 м.
Анализ существующих методов оценки напряженно-деформированного состояния земной коры позволяет сделать заключение, что для адекватного подхода к исследованию механического поведения объекта необходим комплексный подход, включающий в себя сочетание методов: теоретических
- Київ+380960830922