При внешней сложности строения блочного массива горных пород, процессов и явлений, происходящих в нем, особенно в областях техногенного влияния масштабных горных разработок, геомеханическая модель участка литосферы может быть представлена довольно простыми построениями. Моделируемый элемент земной коры может быть рассмотрен в двух вариантах: либо в виде нижнего полупространства бесконечных размеров по площади и глубине, либо, основываясь на понятиях глобальной тектоники плит, в виде оболочки конечной толщины и бесконечных размеров в плане, соответствующей жесткой литосферной плите.

Граничные условия геомеханической модели включают боковые горизонтальные силы и объемный вес горных пород. Во втором случае на разделе между литосферой и астеносферой действуют гидростатические силы, уравновешивающие вес литосферной плиты. Боковые горизонтальные силы состоят из горизонтальных тектонических сил, одинаковых по глубине, первый инвариант которых оценивается величиной около 30 МПа [Сашурин А.Д., 1999; Леонтьев А.В., 2000], и бокового распора от гравитационных сил, пропорциональных по глубине. Среда модели при исследовании общих закономерностей деформирования представляется в виде квазиоднородного квазиизотропного материала, обладающего деформационными свойствами, определяемыми на больших участках массива горных пород.

Как отмечалось выше, реальный массив горных пород имеет сложное иерархически-блочное строение. Такое блочное строение массива с одной стороны, определяет анизотропный характер распределения его физико-механических свойств в пространстве, поскольку внутреннее строение и состав соседних структурных блоков могут быть совершенно различными, также различными могут быть интенсивность трещиноватости, раскрытие и материал заполнения межблоковых трещин, обводненность систем трещин и проч. С другой стороны, блочное строение массива определяет дискретный характер его деформирования, поскольку значительная часть деформаций реализуется на границах структурных блоков, образуемых трещиноватостью различных уровней иерархии.

В нетронутом массиве горных пород непрерывно происходят естественные деформации, наличие которых обусловлено его первоначальным напряженно-деформированным состоянием и особенностями иерархически-блочного строения. Во-первых, происходят медленные трендовые подвижки по структурным нарушениям, современные скорости движений которых, согласно традиционной точке зрения, достигают 5–10 мм/год в асейсмичных областях, и до 50 мм/год и более в сейсмоактивных районах. Во-вторых, при реализации достаточно больших величин накопленных деформаций за короткие промежутки времени происходят тектонические землетрясения различной магнитуды, которые имеют место как в сейсмоактивных районах, так и в асейсмичных областях, хотя достаточно редко и, как правило, небольшой магнитуды. Третьим видом деформаций, реализующихся по структурным нарушениям массива горных пород, являются недавно открытые и еще недостаточно изученные короткопериодные деформации земной поверхности в зонах платформенных разломов и дизъюнктивных нарушений [Кузьмин Ю.О., 1996; Sashourin A.D. el al., 2001]. Четвертый вид деформаций земной поверхности – карстовые явления, хотя и имеет экзогенную природу, но тесно связан со строением массива горных пород, поскольку движение подземных вод в нем происходит по существующей системе трещин, а следовательно, растворение и вынос материала происходит в первую очередь в межблоковом пространстве.

Расположенные на массиве горных пород объекты инфраструктуры, оказавшиеся в зоне влияния подвижных тектонических структур, неизбежно испытывают на себе влияние изменений поля естественных деформаций. Наиболее контрастно это проявляется на протяженных объектах, таких как магистральные нефтепроводы и газопроводы, подземные коллекторы и т.п., где нередки случаи многократных аварийных ситуаций, приуроченных к местам пересечения ими тектонических структур.

Освоение недр и масштабная разработка месторождений полезных ископаемых сопряжены с мощным техногенным воздействием на земную кору, что вызывает большие преобразования геологической среды. Длительные сроки эксплуатации месторождений, большие объемы перемещаемых горных масс, концентрация добычи на ограниченных территориях, все это способствует нарушению первоначального напряженно-деформированного состояния земной коры на обширных территориях. В результате такого воздействия наряду с естественными геомеханическими процессами возникают так называемые наведенные геомеханические процессы, вызванные техногенной деятельностью человека, которые по силе их проявления сопоставимы с естественными, но их опасность усугубляется там, что они происходят в областях концентрации экономической деятельности человека. В качестве основных факторов техногенного воздействия человека на земную кору выступают перемещения больших объемов горных масс – выемка из карьеров и подземных разработок и складирование вскрышных пород и отходов обогащения в отвалы; нарушение гидрогеологического режима в связи с массовой откачкой подземных вод и образованием депрессионных воронок; постоянное воздействие на породный массив сейсмической энергией массовых технологических взрывов. Источником формирования наведенных геомеханических процессов является нарушение первоначального равновесия в напряженном состоянии верхней части земной коры в результате добычи полезного ископаемого. Вторичное поле напряжений формируется за счет образования выемок и пустот в горном массиве и за счет нарушения изостазического равновесия вследствие перемещения больших объемов горных пород, особенно при открытых разработках. Откачки подземных вод и сейсмическое воздействие на окружающую среду энергии массовых взрывов выступают здесь сопутствующими факторами, в результате воздействия которых изменяются первоначальные физико-механические характеристики массива горных пород.

Техногенные нагрузки на участок земной коры в области влияния добычи полезных ископаемых весьма разнообразны. Их можно подразделить на два вида: уравновешенные силы, присущие непосредственной области ведения добычи, и неуравновешенные силы, связанные с нарушением равновесия за счет перемещения масс. Уравновешенные силы формируются на контурах горных выработок – карьеров, зон обрушения, выработанных пространств, областей активной фильтрации и дегазации. В соответствии с принципом Сен-Венана, их влияние ограничивается локальными областями, в 2–3 раза превышающими образуемые зоны техногенного нарушения равновесия [Безухов Н.И., 1961]. Неуравновешенные силы образуются весом перемещаемых породных масс – добытого полезного ископаемого, вскрышных пород, отходов обогащения, а также изменением гидрогеологического режима – откачкой подземных вод и образованием депрессионных воронок, затоплением. Влияние неуравновешенных сил, согласно классическим решениям задачи Бусинеска, теоретически распространяется на бесконечность [Безухов Н.И., 1961]. Практически же имеющиеся в настоящее время техногенные нагрузки от добычи полезных ископаемых инструментально могут быть зафиксированы на удалении первых десятков километров.

Таким образом, в массиве горных пород, подверженному техногенному воздействию масштабной добычи полезных ископаемых, кроме естественных деформаций имеют место техногенные деформации. Во-первых, в результате перемещения больших объемов горных масс, на участках добычи, в карьере или зоне подземной добычи, происходит разгрузка массива, а на участке отвалообразования и образования депрессионных воронок массив нагружается, вызывая возникновения момента сил в нем, в результате чего в зонах разгрузки происходит воздымание массива, а в зонах пригрузки – проседание. Величины вертикальных сдвижений, по результатам инструментальных измерений на горных предприятиях достигают десятков сантиметров. Во-вторых, в результате образования в напряженном массиве выемок у пустот происходит перераспределение первоначального поля напряжений и формирование вторичного напряженно-деформированного состояния, что сопровождается соответствующими деформациями массива горных пород. Особенности формирования вторичного поля напряжений определяются деформационными свойствами массива, его структурными особенностями и параметрами первоначального поля напряжений. При открытых горных разработках этот процесс проявляется в виде деформаций прибортового массива, а при подземных разработках – в виде формирования мульды сдвижения. Изменение гидрогеологического режима района месторождения, вызванное осушением массива горных пород при ведении горных работ и образованием депрессионных воронок играет двоякую роль в формировании геомеханической модели. С одной стороны, осушение месторождения вносит свой вклад в нарушение изостазического равновесия, поскольку из области разработки удаляются миллионы кубометров воды. С другой стороны, осушенные горные породы изменяют свои физико-механические и деформационные свойства, что приводит к усадкам и растрескиванию массива, переформированию поля напряжений, которое сопровождается соответствующими деформациями породного массива. Роль сейсмического воздействия массовых технологических взрывов в формировании геомеханической модели имеет второстепенное значение, достаточно локальные области воздействия и сводится, в основном, к расшатыванию и разупрочнению породного массива и переупаковке его структурных элементов, хотя и не исключается их роль в качестве инициатора возникновения геодинамических явлений в обширной зоне [Адушкин В.В., Спивак А.А., 1993].

Список использованной литературы

1. Адушкин В.В., Спивак А.А. Геомеханика крупномасштабных взрывов. –М.: Недра, 1993.
2. Безухов Н.И. Основы теории упругости и пластичности. –М.: Высшая школа, 1961.
3. Гупта Х., Растоги Б. Плотины и землетрясения. –М.: Мир. 1979.
4. Королев В.И. Упруго-пластические деформации оболочек. –М.: Машиностроение, 1971.
5. Кузьмин Ю.О. Современные суперинтенсивные деформации земной поверхности в зонах платформенных разломов. //Геологическое изучение и использование недр: Информационный сборник. №4. М., 1996. –С.43–53.
6. Леонтьев А.В. Обзор и анализ напряженного состояния массива горных пород в основных горнодобывающих регионах СНГ. //Геомеханика в горном деле – 2000: Доклады международной конференции. –Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 2000. – с.54–65.
7. Лурье A.И. Пространственные задачи теории упругости. –М.: Наука, 1955.
8. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. Основные решения. Плоская теория упругости. Кручение и изгиб. –М.: Наука, 1966.
9. Панжин А.А. Наблюдение за сдвижением земной поверхности на горных предприятиях с использованием GPS. //Известия Уральской государственной горно-геологической академии. №11. –Екатеринбург. 2000 –С.196–203.
10. Панжин А.А. Влияние короткопериодных деформаций разломных зон на протяженные инженерные сооружения. //Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского сегмента: Информационные материалы 10-й научной конференции. Сыктывкар: Геопринт, 2001. –С.144–147.
11. Сашурин А.Д., Панжин А.А. Масштабное техногенное воздействие горных разработок на участок литосферы. //Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения): Доклады Международной конференции. –Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 1998. –C.170–178.
12. Сашурин А.Д. Сдвижение горных пород на рудниках черной металлургии. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 1999.
13. A.D. Sashourin, A.A. Panzhin, N.K. Kostrukova, O.M. Kostrukov Experimental researches dynamics of displacements in faults zones //Rock Mechanics – a challenenge for society: Proceedings of the ISRM regional Symposium EUROCK 2001, Espoo, Finland. Balkema. Rotterdam. Brookfield. 2001. –P.157–162.