Напряженное состояние массива горных пород

С учетом полученных двумя методами D были скорректированы результаты таблицы 2 с целью получения максимальных напряжений в пределах 11-ти летнего цикла СА (последние 4 столбца).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На остальных месторождениях Dприняты ввиду подобия горно-геологических условий: на Валуевском по аналогии с Гороблагодатским, на Высокогорском и Таштагольском по аналогии с Узельгинском.

На большинстве месторождений = gН , a _zm + D_zm =0 при g= 0.027-0.033 МН/м³ и угле падения рудных тел 0° или 90°. В тоже время на ряде рудников изменяется с поверхности от нуля, достигает максимума на глубине 300-500 м и к отметкам 800-1000 м уменьшается до нуля.

Так максимального значения _zm достигает на месторождениях:

-Североуральском (1) на Н =400-500 м, _zm =0.9gН

• Гороблагодатском (9) на Н =300-400 м, _zm =0.5gН
• Высокогорском (11) на Н =400 м, _zm -1.0 gН
• Естюнинском (12) на Н =400 м, _zm =4.2gН

Такая ситуация наблюдается на месторождениях, где угол падения рудных тел составляет 30-40°. Причина такого явления пока не установлена.

Из  графиков изменения с глубиной и видно, что у поверхности в зоне выветривания они близки к нулю. С глубины 50 м начинается их резкий рост за счет нелинейного

возрастания тектонической составляющей +D и +D, которая на глубине 400÷500 м достигает максимума, а Глубже является постоянной [7].

Объяснить эту закономерность можно следующей  гипотезой. На начальной стадии формирования массива горных пород происходит его рангация на структурные блоки по линиям Людерса, без относительной подвижки, когда из удерживающих сил присутствует только сцепление С. В дальнейшем при образовании магистральных трещин удерживающие силы зависят от сцепления С и угла внутреннего трения φ. Их параметры определяются длительностью действия в сотни и тысячи лет. Окончательное формирование гравитационно-тектонических напряжений определяется равновесием на магистральных нарушениях срезающих сил при действии вертикальных и горизонтальных напряжений и удерживающих сил, зависящих от соотношения вертикальных и горизонтальны напряжений и угла трения при нулевом сцеплении.

 

По теории прочности:

 

(3)

Срезающие усилия  Удерживающие усилия

 

где С - сцепление пород, МПа; - угол трения пород, град; - угол между плоскостью нарушения и направлением действия, град; ; - максимальное горизонтальное главное напряжение (учитывающее пульсацию), МПа; - максимальное вертикальное главное напряжение (учитывающее пульсацию), МПа.

На  первичном этапе массив разделяется  на блоки различных рангов, но никаких подвижек между блоками еще нет. Это происходит в соответствии с зависимостью:

(4)

 

После объединения мелких трещин в крупные-магистральные, срез отдельных участков завершен, начинается подвижка в соответствии с зависимостью:

 

 (5)

 

Проанализировав графики изменения максимальных и минимальных тектонических горизонтальных напряжений по глубине, мы пришли к выводам:

а) резко растут с глубиной до 40(Н500м, после чего выходят в параллель гравитационным напряжениям.

6) - с глубины 40(Н-500м становится постоянной, а как следствие стабилизируется и .

Исходя из вышесказанного при условии _г=gН + _гт и _гт =const (с глубины 400÷500м)

 

(6)

 

Следует иметь ввиду, что формирование напряженного состояния массива горных пород  происходит в течении столетий или тысячелетий. Поэтому константы С и должны характеризовать длительную прочность пород за эти отрезки времени. Приравнивая же правую часть уравнения (5) (срезающие усилия) левой (удерживающие усилия) можно найти ф на различных глубинах месторождений Урала. Две крайние идеализированные закономерности изменения с глубиной - минимальные и максимальные (без Естюнинского месторождения) и в сравнении их с gН по зависимости (5) найти изменение с глубиной (табл.3).

 

Таблица 3

Результаты определения ф на месторождениях Урал

H ,м	gH ,МПа	Max		Min
		,МПа	, град	,МПа	, град
100	-3.0	-8	-26	-4	-8
200	-6.0	-20	-30	-9	-12
300	-9.0	-38	-34	-15	-14.4
400	-12.0	-48	-33.5	-20	-14.4
500	-15.0	-55	-32	-25	-14.5
600	-18.0	-57	-29.4	-30	-14
700	-21.0	-60	-27.4	-33	-12.8
1000	-30.0	-73	-24	-40	-8

 

Анализ зависимости (6) и таблицы 3 показывают, что угол трения пород имеет смысл находить на глубине до 500м, т.к. эта глубина является экстремумом. При расчете на растущей глубине ниже 500 м создается запас прочности в удерживающих усилиях. Этим и объясняется стабилизация тектонической составляющей на глубинах более 500 м.

В сравнении  с горнодобывающими регионами мира средние горизонтальные напряжения занимают на Урале по величине второе место:

-Скандинавии [8] ( + )*0.5= 9.3 + 0.05 H

-Урале ( + )*0.5 = 12,7 + 0,03 H - с учетом максимальных пульсирующих напряжений; ( + )*0.5 = 8,5 + 0,03 H - без их учета

• Канаде [8] ( + )*0.5= 8.2 + 0.042 H
• США [8] ( + )*0.5= 4.9 + 0.02 H
• Австралии [8] ( + )*0.5= 7.26 + 0.022 H
• Южная Африка [8] ( + )*0.5= 7 + 0.01 H
• Японии [9] ( + )*0.5=0+0.03 H

Среднее -7.5+0.029 H

Анализ  приведенных полученных результатов  показывает, что природные напряжения в Земной коре формируется с учетом гравитационных напряжений равных весу пород gH, статических тектонических напряжений и пульсирующих напряжений D.

Статические тектонические напряжения увеличиваются  в пределах глубин от 0 до 400-500м от ноля до постоянной величины, а ниже остаются неизменными.

Статические тектонические напряжения в конкретных геологических условиях зависят от величины угла внутреннего трения пород, характеризующего их длительную прочность и составляющего 14-34°.

В массивах магматических и метаморфических  пород Северного, Срединного и Южного Урала на протяжении 900 км в пределах глубин 300-900 м Dсоставляет 6-25 МПа т. е. 20-30 % от гравитационно-тектонических напряжений, и им соответствует относительная деформация массива (1,0-3,8)*1⁴. Изменение горизонтальных напряжений в ортогональных направлениях одинаково. Следовательно, деформация массива на Урале за счет D по всем азимутам одинакова, т.е. Урал с началом цикла СА равномерно расширяется, а с его середины равномерно сжимается в среднем на величину ε=1,9*1⁴.

Следовательно, можно предположить, что полигон  на Урале под г. Верхняя Пышма  и базовые линии GPS, располагающиеся в различных регионах Земли считающиеся так же «неизменными» по длине, деформируются с относительной деформацией ε=1,9*1⁴. В этом случае за период цикла СА незамеченной остается расширение и сжатие Земного шара по диаметру на 2,4 км.

Если  в геодинамически малоактивном регионе, которым является Урал, средняя величина D=10МПа, а в тектонически активных регионах они могут быть больше, то, по-видимому они являются главным спусковым механизмом катастрофических землетрясений и горных ударов, которые приурочены к минимумам СА, наблюдаемые в 2006-2008 гг. и возможно продлятся до 2009-2010 гг.

 

Список литературы

 

Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология. - Екатеринбург: УрО РАН, 2001, 335 с.

Яковлев Д.В., Тарасов Б.Г. О взаимосвязи геодинамических событий в шахтах и рудниках с циклами солнечной активности / Труды междунар. Конф. «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». - Новосибирск: Изд. ИГД СО РАН, 2001.

Влох Н. П. Управление горным давлением на подземных рудниках. - М.: Недра, 1994. -208 с.

Турчанинов И. А., Макаров Г. А., Иванов В.И., Козырев А. А. Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок /- Л.: Наука. - 1978. - 256 с.

Влох Н. П., Зубков А. В., Феклистов Ю. Г. Совершенствование метода щелевой разгрузки // Диагностика напряженного состояния породных массивов: Сб. научн. тр. / ИГД СО АН СССР. - Новосибирск, 1983. - С. 30-35.

Влох Н. П., Зубков А. В., Феклистов Ю. Г. Метод частичной разгрузки на большой базе // Диагностика напряженного состояния породных массивов: Сб. научн. тр. / ИГД СО АН СССР. - Новосибирск, 1983. - С. 37-42.