Напряженное состояние массива горных пород

Чтобы проследить изменение пульсирующих напряжений во времени можно использовать следующие методы:

• метод натурных измерений, подразумевающий установку наблюдательных станций в подземном пространстве и на поверхности и фиксацию величины изменения напряжений в реальном времени, к примеру, с периодичностью 3-4 раза в год;
• метод, основанный на анализе накопленных результатов измерений на различных рудниках, полученных в разное время и в различных условиях (табл. 1) [1]. Все измерения напряжений производились деформационными методами: частичной разгрузки массива [3], полной разгрузки массива [3,4], щелевой разгрузки [5] и методом частичной разгрузки на большой базе [6].

Исследование, непосредственно пульсирующих напряжений в земной коре Урала были начаты Институтом горного дела УрО РАН в 1998 г. Доя этого в рудниках были оборудованы наблюдательные деформационные станции в городах Краснотурьинск, Нижний Тагил, Березовский и Гай, соответственно на глубинах 600, 460, 700, 500 и 830 м, а также на поверхности в районе городов Среднеуральска - Верхней Пышмы. Измерения производились 3-4 раза в год.

Под землей наблюдательные станции включают 3-5 разно ориентированных реперных линий на базах 30-50 м.

При исследовании изменения тектонических напряжений нужно знать не абсолютную величину расстояния между реперами, а изменение  этого расстояния. Поэтому для  измерений была применена технология гибких нитей, позволяющая оценить  изменения базы 50 м с погрешностью не более 0.3 мм при следующих условиях (натяжение гибкой нити определяется автоматически)

• измерения превышения одного репера над другим Dh < 2 мм (измеряется с помощью нивелира);
• определения колебания температуры Dt < 0.2°С;
• длины гибкой нити D = 0.1 мм.

Методика  исследования характера переменных напряжений заключалась в следующем.

1. Выбиралась база измерения длиной L_o, относительно которой оценивали изменение длины реперной линии при последующих замерах.
2. На каждом пункте измерения по каждому направлению реперных линий изучалось геолого-тектоническое строение участков и оценивались упругие параметры массива (Зубков, 2001):

                             (2)

где , - модули упругости массива и образца; n - число рангов геоблоков на базе реперных линий.

3. Раз в 3-4 месяца проводились измерения длины реперных линий и вычислялось их изменение.

4. По полученным изменениям длины линий Д (-) определяли относительную деформацию массива горных пород ,

5. По комбинации измерений на трех наблюдательных линиях определялись изменения величины действующих горизонтальных напряжений и азимута их действия:

 

 

 

Таблица 1

Результаты определения первоначальных напряжений  
на месторождениях полезных ископаемых

№	Город, месторождение	Дата  измерения, год	Н, м	Первоначальные  напряжения, МПа
				Измеренные			Скорректированные
				Горизонтальные		Вертикальные			D	D
1	Североуральск Североуральское	1997	490	-54±13.5	-33.0±7.5	-25.0	-54	-33	-29	-8
		1981	800	-58.0	-38.0	-29.0	-63	-43	-34	-14
2	Краснотурьинск,	1968	300	-10.3±2.2	-7.9±2.7	-9.0	-17	-10	-8	-1
	Северо- Песчанское	1968	380	-13.0±2.4	-8.0±4.4	-11.3	-18	-13	-7	-2
		1982	430	-16.3	-12.5	-15.5	-24	-15	-9	-0
		1984	500	-21.1±2.1	-17.6±8.3	—	-25	-16	—	-
		1988	540	-19.0±1.5	-14.5±0.8	-15±0.6	-26	-16	-10	-1
8	Кушва,	1969	125	-5.6±2.4	-2.9±4.4	-4.7±2.2	-16	-13	-10	-7
	Валуевское	1983	380	-26.1±4.0	-21.1±8.6	-22.2±3.2	-30	-25	-8	-3
9	Кушва,	1969	170	17.7±3.4	-14.0±3.4	-5	-27	-18	-25	-13
	Гороблагодатское	1980	260	-25.1	-18.7	-9	-38	-22	-29	-13
		1980	600	-40.5	-21.3	-18	-51	-27	-33	-9
		1988	760	-51	-17	-22	-56	-22	-31	-8
10	Нижний Тагил,	1970	300	-15.5	-7.9	-6.9	-16	-8	-	-
	Лебяжинское,1	1983	510	-22.3±0.9	-19.3±0.9	-21.1±8.6	-22	-19	-	-
11	Нижний Тагил,	1983	510	-41.0±13	-37.0±7.0	-32.0±5	-54	-50	-22	-18
	Высокогорское, 1	1983	590	-43.6±13	-39.4±7.3	-34.2±5	-57	-52	-23	-18
12	Нижний Тагил,	1977	180	-25.4±4.6	-24.2±0.6	-20.9	-30	-28	-9	-8
	Естюнинcкое, 1	1980	220	-37.0±7.0	-28.5±7.0	-34.3±4	-67	-58	-33	-24
		1990	340	-77.0±8.9	-55±3.4	-53±2.1	-107	-85	-54	-32
		1994	400	-106.0	-84	-60	-120	-98	-60	-38
		2005	460	-115	-90	-68	-130	-105	-62	-37
14	Березовский, Ш	1988	212	-9.4±1.5	-8.3±0.9	-5.9	-14	-10	-6	-2
	Березовское Ш	1988 1988 1987 1990	314 412 512 612	-12.5±1.5 -15.3±1.3 -19.7±13.4 -21.9±2.8	-11.2±1.6 -13.8±11.4 -17.3±12.5 -19.8±12.4	-8.9 -11.5 -14.3 -17.1	-15 -18 -21 -26	-14 -16 -19 -25	-8 -7 -8 -9	-6 -6 -5 -8
19	Узельгинское, Ш	1994	550	-38.5	-37.4	-26.5	-		-	-
	Узельгинекое, 1	1996	550	36.7	25.7	-20.3	-37	-26	-17	-6
		1999	550	-36.4	-24.4	-20.6	-	-	-	-
		1990	640	-30.5±1.5	-25.9±11.1	-18.5±11.5	-37	-32	-18	-14
23	Гай, Гайское, VI	1998	830	-39.9±4.5	-18.7±1.2	-21.8	-44	-23	-23	-2
	Гайское,1	2004	910	-41.6	-19.8	-25	-46	-24	-21	+1
		2008	1070	-48.7	-32.0	-33.3	-49	-32	-7	+1
24	Таштагол 1	1984	540	-45.2±8.0	-41.8±10	-20.0±4.5	-59	-54	-39	-36
		1983	750	-52.5±7.	-45.2±3	-24.0±3.	-67	-60	-43	-36

 

, – углы, отсчитываемые от первой реперной линии ко второй и третьей против хода часовой стрелки, град.; – азимут действия D, отсчитываемый от направления по часовой стрелке, град.; – модули деформации массива, по реперным линиям, рассчитываемые по формулам (1) с учетом тектоники массива; m - коэффициент Пуассона массива; – относительная деформация массива на длине реперных линий;

6. После статистической обработки получили средние значения D Dи азимут действия максимального сжимающего напряжения .
7. За весь период наблюдений находили средний азимут действия D или D, который принимается за ось абсцисс X, и находили D D Dтак, чтобы средние значения Dбыли минимальными.

В г. Краснотурьинск наблюдениями с 04.1998 г. по 02.2000 г. была зафиксирована пульсация напряжений с частотой 12 месяцев и амплитудой 5-10 МПа. Затем станции были уничтожены шахтерами. Следующий цикл наблюдений начался на глубине 620 м с 01.2003 г. К 07.2008 г. зафиксирован рост сжатия массива на 6-7 МПа. В г. Нижний Тагил наблюдения на глубине 460 м ведутся с 09.1998 г. по 08.2008 г. С 1998 г. по 2001-2003 гг. сжатие массива уменьшилось на 25 МПа, а затем стало расти и это увеличение достигло 10 МПа. В г. Березовский наблюдения были начаты 10.1998 г на глубине 712 м, но к 07.2000 г. шахта была затоплена. Вновь наблюдения возобновились в 04.2003 г. на глубине 512 м. зафиксирован рост сжатия на 6 МПа. В г. Гай наблюдения на глубине 830 м ведутся с 11.1998 г. К 2001-2003 г было зафиксировано уменьшение сжатия массива на  
15 МПа, а затем начался рост сжатия на 7-15 МПа. В районе городов Верхняя Пышма - Среднеуральск на поверхности в период с 07.1998 г. по 2001-2003 гг. сжатие массива уменьшилось на 1 МПа, а к 2008 г. возросло на 0,1 МПа. Если принять, что 23-й цикл солнечной активности имел минимум в 1995-1997 гг., а следующий будет в 2008-2009 гг., то наблюдениями 1999-2008 гг. максимальное сжатие земной коры на Урале еще не зафиксировано. Поэтому, наблюдения в 2009-2011 гг. чрезвычайно важны. Прямым подтверждением активизации геодинамических явлений в период минимума солнечной активности является то, что в городе Нижний Тагил в 1994-1998 гг. произошло 30 горных ударов в шахте и техногенных землятресений на прилегающей территории по энергетике эквивалентных взрыву до 100 т ВВ. Сжатие земной коры с середины 1998 г. до середины 1999 г. уменьшилось на 25 МПа (это только часть возможной амплитуды пульсации). В результате в 1999-2002 гг. было всего лишь четыре слабых горных удара. В марте 2003 г. произошел один толчок с энергией до 60 т ВВ, М = 2.3, который привёл к уменьшению сжатия массива на 8 МПа, а через 2 месяца сжатие увеличилось на 6 МПа. В 2006 г. горный удар соответствовал 30 т ВВ, в сентябре 2007 г. имел М=3.1, а в феврале 2008 г. М=1,6.

Следует отметить, что самые крупные сейсмические события в районе шахты «Естюнинская» (г. Нижний Тагил) произошли не в шахте, а по Тимано-Кокчетавской тектонической зоне, которая расположена параллельно рудному телу на расстоянии 2-4 км от него.

На  подземном руднике в г. Гай  в ноябре 1998 г. (на глубине 830 м от дневной поверхности) и в январе 2004 г. (на глубине 910 м от дневной поверхности) были произведены измерения абсолютных величин напряжений. На шахте «Естюнинская» (г. Нижний Тагил) измерения были сделаны в марте 2005 г. В обоих случаях появилась возможность проследить изменение горизонтальных напряжений за весь период наблюдений, приняв за точку отсчета Dвремя измерения напряжений и сложив полученные их значения с измеренным приращением напряжений (рис.1).

Аналогично  построены графики изменения  горизонтальных напряжений на шахте  «Северопесчанская (г. Краснотурьинск) и шахте «Центральная» (г. Березовский) (рис. 2).

Была  проведена проверка возможности  объяснения зарегистрированного переменного  поля напряжений за счет случайных  ошибок измерения. Она выполнялась методом математической статистики с помощью проверки гипотезы о законе распределения по критерию согласия Пирсона , При этом все результаты измерения рассматривались как случайные величины. В том случае если изменчивость напряжений определяется только случайной ошибкой измерений, распределение случайных величин должно быть близко к распределению по нормальному закону. Любые другие распределения свидетельствовали бы о том, что на изменчивость величин напряжений влияют и другие факторы.

 

Рис. 1 – Графики изменения горизонтальных напряжений в массиве горных пород s_х и s_y. с азимутами их действия на фоне 23-го цикла солнечной активности (W) на шахты «Естюнинская» (г. Нижний Тагил) и на Гайском руднике (г. Гай)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2 - Графики изменения горизонтальных напряжений:  
а) на шахте «Северопесчанская» (г. Краснотурьинск) б) на шахте «Центральная»

(г. Березовский)

 

Полученные  результаты статистической обработки  измерений позволяют с достаточной  надежностью (с вероятностью 0.95) утверждать, что зарегистрированное изменение горизонтальных напряжений во времени обусловлено не ошибками измерения, а иными причинами, например, влиянием СА.

Второй  метод определения D, основанный на анализе накопленных результатов измерения напряжений на различных рудниках, полученных в разное время, базируется на следующем. На Урале измерение первоначальных напряжений проводилось в течении 40 лет, т.е. охвачено 4 цикла СА: 20-й (1965-76 гг.), 21-й (1976-86 гг.), 22-й (1986-1996 гг.) и 23-й (1996-2008 гг.).

На  ряде рудников за этот период было сделано  по несколько измерений на разных глубинах:

- на шахте «Северопесчанская» (г. Краснотурьинск) измерения были сделаны в 1968, 1982, 1984 и 1988 годах на глубинах от 300 до 540 м;

- на шахте «Южная» (г. Кушва) в 1969,1980, и 1988 годах на глубинах от 170 до 760 м;

- на Узельгинском руднике в 1990,1994,1996 и 1999 годах на глубинах от 550 до 640 м. На этих месторождениях горизонтальные напряжения изменялись с глубиной на величину

в соответствии с изменением гравитационной составляющей. С учетом этого, накладывая циклы СА друг на друга, и результаты измерений напряжений, приведенными к одной глубине, можно получить результаты для построения графиков изменения горизонтальных напряжений в течение цикла СА. На этих графиках просматривается амплитуда изменения D, величины которых приведены в таблице 2.

Таблица 2

 

	Участки	По измеренным  напряжениям		По измеренным   деформациям
		D	ε • 104	D	ε • 104
1	Краснотурьинск 1968-82-84-88 гг.	6-8	1-3	6-7	1,0	80-100
2	Нижний Тагил 1998-2008 гг.			10-25	1,5-3,8	300-400
3	Кушва 1969-80-88 гг.	9-10	2,0			100
4	Березовский 1998-2008 гг.			б	1.0	105
5	Узельгинский р-к 1990-96 гг.	6-12	1,5-3			100-120
6	Гай 1998-2008	8-10	2,0	13	3,0	100-160
7	В-Пышма 1998-2008 гг.   Система GPS			-0.3-0.6	-0.08-0.16 ср≈0

 

На  рисунке 2 представлен механизм определения пульсирующих напряжений на месторождениях Урала по результатам измеренных на различной глубине горизонтальных напряжений. К примеру на шахте Северопесчанская измерения на глубине Н=300 м (‍=-10.3Мпа и =-7.9 МПа) можно спроецировать на глубину Н=500 м добавив D =-0.03х200=-6 МПа, т.е. в это время на глубине Н=500 м можно было ожидать =-16.3 МПа и =-13.9 МПа.