Геомеханические исследования изменений напряженно-деформированного состояния в изучаемом районе, проводимые с целью прогнозной оценки риска формирования очагов геодинамических явлений и разработки мер по их предотвращению предусматривают постановку комплексных исследований, которые включают в себя компьютерное моделирование процессов, происходящих в массиве горных пород при разработке месторождения, и экспериментальные исследования процесса деформирования массива на горных предприятиях. Основные параметры геомеханической модели участка земной коры, подверженной мощному техногенному воздействию горных разработок, были рассмотрены выше. Степень же отражения реальных процессов на принятых моделях оценивается по результатам инструментальных наблюдений за деформациями земной поверхности моделируемого участка.

Моделирование деформаций земной поверхности, возникающих при перераспределении техногенных нагрузок при разработке месторождений производится с использованием принятой геомеханической модели для обоих вариантов моделирования элемента земной коры. Теоретические и экспериментальные исследования обоих видов моделей свидетельствуют о незначительных различиях основных параметров их деформирования. Численные значения смещений земной поверхности для обоих моделей различаются на 20–25%, и принципиальные отличия отмечаются в характере и проявлении потери устойчивости массива под совместным воздействием техногенных и естественных сил. Математический аппарат для исследования поведения геомеханической модели основывается на классических решениях задачи Бусинеска для расчета модели, представленной бесконечным полупространством [Безухов Н.И., 1961; Лурье А.И., 1955] и расчета оболочек для расчета модели, соответствующей представлениям глобальной тектоники плит [Королев В.И., 1971]. Техногенная нагрузка соответствует весу пород и объему грунтовых вод, перемещаемых при разработке месторождения. Распределение нагрузки по площади производится по определенному математическому закону в зависимости от размеров и параметров реальных техногенных объектов.

Моделирование деформационных процессов, происходящих в локальных Сен-Венановских областях, производится в соответствии с общими положениями теории упругости [Мусхелишвили Н.И., 1966]. В данном случае образование в напряженном массиве открытых полостей – карьеров, зон обрушения, выработанных пространств приводит к перераспределению первоначального поля напряжений и формированию вторичного напряженно-деформированного состояния. При этом массив горных пород моделируется нижним полупространством, а возмущающая полость отображается кругом или эллипсом. С позиций теории упругости задача сводится к решению плоской задачи о распределении напряжений в бесконечной плоскости с эллиптическим отверстием. Параметры вторичного поля напряжений здесь зависят от величины и особенности соотношения главных нормальных напряжений, действующих в нетронутом массиве, а также формы и ориентации возмущающей полости.

Суммарное воздействие масштабных горных разработок на исследуемый участок земной коры определяется в соответствии с принципом суперпозиции путем суммирования влияния различных источников техногенных нагрузок. В некоторых случаях в геомеханической модели дополнительно учитывается влияние изменения гидрогеологического режима месторождения на формирование вторичного напряженно-деформированного состояния массива горных пород, однако это не всегда целесообразно, так учет дополнительных факторов не приводит к уточнению геомеханической модели. Это объясняется тем, что при ее создании допускалось большое число допущений и упрощений, принимались усредненные граничные условия, массив горных пород апроксимировался квазиизотропным и прочими. Однако полученная геомеханическая модель достаточно полно описывает деформационные процессы, происходящие при масштабной добыче полезных ископаемых, и ее уже можно использовать для качественного прогноза развития процесса сдвижения.

Для более точного прогноза геомеханических явлений необходимо уточнить ряд параметров модели, таких как направления действий и величины главных тензоров тектонических напряжений, величин модуля деформации для отдельных участков массива горных пород, произвести оценку стабильности структурных нарушений, уточнить постоянно изменяющиеся геометрические параметры техногенных объектов и проч. Эти данные возможно получить только в результате экспериментальных исследований формирования реального поля деформаций в массиве горных пород на добывающих предприятиях и натурных замеров геометрических элементов геомеханической модели. Инструментальные измерения требуемой точности и с требуемой периодичностью возможно производить только с использованием современных высокопроизводительных геодезических комплексов. Для этой цели на базе ИГД УрО РАН был создан Уральский центр геомеханических исследований природы техногенных катастроф в районах добычи полезных ископаемых. В настоящее время Центр оснащен и продолжает оснащаться высокоточной геодезической аппаратурой. При производстве инструментальных измерений смещений и деформаций земной поверхности используется целый комплекс оборудования, который включает в себя одно- и двухчастотные GPS-приемники геодезического класса, позволяющие определять полные вектора смещений реперов наблюдательной станции с миллиметровым уровнем точности; прецизионные цифровые нивелиры, позволяющие производить нивелирование реперов по программе нивелирования I и II класса точности; высокоточные электронные тахеометры, позволяющие быстро и качественно производить цифровую съемку техногенных объектов и определять их параметры; точные лазерные дальномеры для определения линейных деформаций.

Диагностика и мониторинг напряженно-деформированного состояния участка верхней части земной коры проводится путем регулярных многократных измерений смещений реперов специально оборудованных наблюдательных станций. Под наблюдательной станцией здесь понимается система наблюдательных пунктов, которые закладываются на земной поверхности, в толще горных пород и в конструктивных элементах зданий и сооружений. Конструкция наблюдательной станции выбирается в зависимости от поставленных задач и конкретных горно-геологических условий [Панжин А.А., 2000]. Изменение пространственных координат реперов наблюдательных станций следствием суммарного воздействия тектонических процессов в земной коре и техногенных факторов, определяющих формирование вторичного поля напряжений в области ведения масштабных горных работ. Для определения деформаций породных массивов используются современные геодезические технологии, позволяющие с высокой точностью измерять смещения точек земной поверхности в разовом режиме, в форме мониторинговых измерений и в режиме непрерывных измерений за короткопериодными деформациями массива горных пород [Панжин А.А., 2001]. Разработанные методики определения изменений напряженно-деформированного состояния породного массива условно можно разделить на четыре крупные категории:

1. Экспериментальные исследования деформаций, вызванных суммарным воздействием естественных природных процессов и техногенным воздействием масштабной добычи полезных ископаемых. В этом случае исследования деформаций массива производятся путем проведения геодезического мониторинга за изменением во времени пространственных координат пунктов государственной геодезической сети, оборудованных как в зоне влияния горных разработок, так и за ее пределами, и пунктами опорной маркшейдерско-геодезической сети, находящимся непосредственно в зоне ведения горных работ. При этом геодезическими измерениями охватываются области площадью более 100 км2. Поскольку первоначальные координаты пунктов геодезической сети определялись до начала разработки месторождения, либо на первых этапах его освоения, повторные определения геометрических параметров геодезической сети горного предприятия дают богатейшую информацию о деформационных процессах, произошедших за достаточно продолжительные периоды времени, измеряемые десятками лет.

2. Экспериментальные исследования деформаций в локальной Сен-Венановской области влияния горных разработок, производятся непосредственно в мульде сдвижения при подземной разработке, и в прибортовом массиве при открытой разработке месторождений полезных ископаемых. В этом случае геодезическими измерениями охватывается массив горных пород, непосредственно примыкающий к зоне влияния горных разработок. Для проведения измерений используются как репера уже существующих наблюдательных станций, так и закладываются новые репера, для обеспечения равномерного покрытия измерениями всей области влияния горных разработок. В результате подобных измерений, проводящихся в мониторинговом режиме с периодичностью 1–2 раза в год, выявляются закономерности формирования вторичного поля напряжений; активные тектонические структуры невысокого ранга, по которым происходит реализация деформаций; участки с аномальным характером деформирования, на которых требуется произвести более детальные исследования.

3. Экспериментальные исследования деформаций породного массива при охране природных и искусственных объектов от вредного влияния горных разработок производятся непосредственно на промышленных площадках охраняемых объектов. В этом случае в конструктивных элементах охраняемых объектов и в непосредственной близости от них закладываются специальные наблюдательные станции, по которым производятся геодезические наблюдения за смещениями реперов. Периодичность таких наблюдений за изменением параметров поля деформаций широка варьирует в зависимости от поставленных задач и составляет от 1 до 2 раз в год. В результате этих работ не только решаются конкретные задачи по охране сооружений, но и с высокой степенью детальности исследуется процесс деформирования на небольших участках породного массива, которым зачастую присущ сложный дискретный характер изменения параметров напряженно-деформированного состояния.

4. Экспериментальные исследования короткопериодных знакопеременных деформаций массива горных пород в непрерывном режиме производятся, как правило, в зонах пересечения активными тектоническими нерушениями протяженных инженерных структур, таких как нефте- и газопроводов, подземных коммуникаций и др. Как показывает опыт эксплуатации подобного рода сооружений, многократные аварии на них часто приурочены к тектонически активным зонам. Сегодня во многих научных работах поднимается вопрос о флюктуациях параметров напряженно-деформированного состояния, особенно в связи со строительством и эксплуатацией экологически опасных объектов, аварии на которых могут сопровождаться экологическими катастрофами. В фундаментальной области данные о короткопериодной динамике тектонических нарушений связаны с углублением представлений о естественном напряженно-деформированном состоянии массива горных пород, поскольку к установленным сегодня гравитационным и тектоническим компонентам добавляется динамическая составляющая.

Таким образом, в результате проводимых инструментальных исследований высокоточными геодезическими измерениями охватывается протяженный участок горного массива, находящийся под техногенным влиянием масштабных горных разработок. При этом становятся доступными качественно новые данные об изменении во времени суммарного поля деформаций, которое формируется при наложении поля техногенных деформаций на поле естественных деформаций. Эти данные позволяют не только уточнить параметры принятой геомеханической модели разрабатываемого месторождения, но и уверенно прогнозировать развитие процесса сдвижения, оценить степень риска возникновения негативных геомеханических явлений и обоснованно решать вопросы охраны сооружений, попадающих в области влияния горных разработок.

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.