НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

ПАЛАМАРЧУК Тетяна Андріївна

УДК 550.8.07/.08:681.518.54:622.02

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ГЕОФІЗИЧНОЇ ДІАГНОСТИКИ

ГЕОМЕХАНІЧНОГО СТАНУ ПОРОДНОГО МАСИВУ

З УРАХУВАННЯМ СИНЕРГЕТИЧНИХ ПРОЦЕСІВ

05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”

05.15.09 – “Механіка ґрунтів і гірських порід”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ –2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки Національної академії наук України (ІГТМ НАН України)

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Усаченко Борис Миронович,

Інститут геотехнічної механіки НАН України,

завідувач відділом;

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Колєсніков Володимир Григорович,

Інститут геотехнічної механіки НАН України,

завідувач відділом;

доктор технічних наук, професор

Назімко Віктор Вікторович,

Гірничий інститут Донецького державного

технічного університету

Міністерства освіти та науки України,

завідувач лабораторією;

доктор технічних наук, професор

Садовенко Іван Олександрович,

Національний гірничий університет

Міністерства освіти та науки України,

завідувач кафедрою.

Провідна організація: Криворізький технічний університет Міністерства освіти та науки України, м. Кривий Ріг.

Захист відбудеться “ 4 “ жовтня 2002 р. о 13.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 Інституту геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а, факс (0562) 462426.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий " 30 " серпня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук В.Г. Перепелиця

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Погіршення гірничо-геологічних умов розробки корисних копалин значно підвищує вимоги до техніки й технології гірничих робіт. Ефективність технологічних рішень і ритмічність роботи устаткування залежать від ступеня вивченості гірничо-геологічних умов, напружено-деформованого стану, властивостей масиву, структурних неоднорідностей, таких як границі розділу гірських порід, тектонічні порушення в пластах, карсти, порожнечі та тріщини. Однією з вирішальних умов зниження собівартості видобутку корисних копалин і підвищення безпеки робіт є своєчасний контроль стійкості геотехнічних споруджень, властивостей і напружено-деформованого стану породного масиву, який з погляду оперативності й інформативності повинний базуватися на експресних методах гірничої геофізики.

Питанням розвитку геофізичної діагностики геомеханічних процесів у породних масивах велику увагу приділяють у США, Великобританії, Німеччині, Японії, Росії й Україні. За період багаторічних досліджень, виконаних в ІГТМ НАН України разом з ВНДМІ, ІГД ім. Скочинського, Московським державним гірничим університетом, Національним гірничим університетом України та іншими науково-дослідними інститутами гірничого профілю, отримані обширні знання про властивості гірських порід, їхню поведінку в до- і позамежних областях напруження, на базі чого розроблені методики та засоби для контролю стану вуглепородного масиву. Однак існуючі методи контролю більше констатують, ніж дають можливість прогнозувати ймовірний просторо-часовий розвиток поведінки масиву. Для діагностики й прогнозу стану масиву, наслідків його впливу на підземні споруди необхідно знати закономірності, по яких протікають в ньому процеси самоорганізації (синергетики), володіти методикою контролю цих процесів, а також методологією керування ними. Результати останніх досліджень, виконаних в ІГТМ НАН України, які знайшли своє відображення в наукових відкриттях, указують на те, що причини тієї чи іншої поведінки породного масиву варто шукати на більш високому, чим вважалося дотепер, ієрархічному рівні, і визначаються вони, насамперед, синергетичними процесами, що відбуваються в масиві. Тому проблема розробки теоретичних основ поточного контролю й прогнозної діагностики стану геомеханічних систем з урахуванням структурної неоднорідності та синергетичних процесів, які відбуваються в масиві гірських порід, має важливе наукове та народногосподарське значення для підвищення безпеки праці й ефективності ведення гірничих робіт.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетних тим: "Розробити фізичні основи контролю властивостей і стану гірського масиву (у тому числі й викидонебезпечного) при веденні гірничих робіт", № держреєстрації 02900020182; "Розробити геофізичні способи оперативного контролю напружено-деформованого стану масиву гірських порід, у тому числі викидонебезпечних, з метою прогнозу проявів гірського тиску на великих глибинах", № держреєстрації 0295U302544; "Наукові основи автоматизованого контролю геомеханічних процесів у вуглепородному масиві при гірничо-технологічних роботах", № держреєстрації 0195U015134; "Наукові основи геофізичного моніторингу і керування геомеханічними процесами з урахуванням синергетичних ефектів породного масиву для підвищення безпеки та експлуатації підземних споруджень", № держреєстрації 0199U001752; теми в рамках програми ГКНТ 5.41.02 "Розробити і впровадити комплекс методів і способів визначення міцностних, пружних і електричних властивостей високонапружених гірських порід без механічної обробки кернів і зразків стосовно до задач прогнозу й контролю ударонебезпечного та викидонебезпечного масиву", № держреєстрації 0193U009370; теми, затвердженої Мінвуглепромом України, "Розробити комплекс вибухозахищеної апаратури і методики оперативного контролю геомеханічних параметрів масиву гірських порід і процесів, що відбуваються в ньому", № держреєстрації UА0100192Р.

Ідея роботи полягає в комплексному урахуванні особливостей хвильового характеру геомеханічних процесів і синергетичних ефектів, що відбуваються в породному масиві навколо гірських виробок, при розробці теоретичних і методичних основ прогнозної діагностики і поточного контролю напружено-деформованого стану геотехнічних систем.

Метою роботи є підвищення вірогідності контролю стану породного масиву шляхом розробки теоретичних і методичних основ геофізичної діагностики геомеханічних систем з урахуванням синергетичних процесів.

Об'єкт дослідження – масив гірських порід і фізичні процеси, що відбуваються поблизу гірничих виробок.

Предмет дослідження – методи геофізичної діагностики геомеханічного стану породного масиву.

Для досягнення поставленої мети сформульовані задачі:

1. Розробити теоретичне обґрунтування механізму процесів самоорганізації породного масиву навколо гірничих виробок.

2. Виконати теоретичні дослідження хвильових і синергетичних процесів, резонансних явищ і формування фізичних полів у різних геомеханічних структурах.

3. Розробити теоретичні основи геофізичної діагностики напружено-деформованого стану складно-структурного породного масиву.

4. Провести експериментальні дослідження і виконати перевірку достовірності результатів теоретичних досліджень по обґрунтуванню інформативності геофізичного контролю властивостей і стану складно-структурного породного масиву та геомеханічних систем.

5. Розробити методичні основи діагностики стану складно-структурного породного масиву та геомеханічних систем методами гірничої геофізики з урахуванням синергетичних процесів.

Методи досліджень. Для розв'язання поставлених задач використовувався комплексний метод досліджень, який включає аналіз та узагальнення експериментальних і теоретичних досягнень по даній проблемі; методи математичної фізики, теорії пружності, механіки суцільного середовища та гірських порід, а також методи лабораторних і натурних геофізичних досліджень із застосуванням як розроблених в ІГТМ НАНУ, так і промислових засобів вимірювань.

Основні наукові положення, що захищаються в дисертації:

1. Вплив на масив гірських порід геологічних і техногенних факторів ініціює механізм самоорганізації, у результаті чого відбувається перехід породного масиву з одного квазістаціонарного рівноважного стану в інший, який відповідає мінімальним значенням потенційної енергії. Геомеханічні процеси, які супроводжують цей перехід, носять хвильовий згасаючий характер.

2. Умови виникнення резонансних явищ у плоскопаралельних структурах визначаються величиною початкових напружень у масиві, його пружними властивостями, потужністю пласта чи відшарування, а також ступенем тріщинуватості порід. Зі зменшенням у гірничих виробках ступеня свободи відшарувань ділянок покрівлі спостерігається тенденція до зростання частоти їх власних коливань по параболічному закону, зменшенню статичного прогину й виникаючих при цьому напружень по гіперболічному, що свідчить про збільшення стійкості покрівлі.

3. На величину питомого електричного опору шаруватих гірських порід впливає як об'ємний напружений стан, так і величина механічних напружень, що діють у напрямку проведення вимірювань; причому мінімальні значення питомого електричного опору спостерігаються при навантаженні, близькому до руйнуючого. Характер зміни питомого електричного опору від навантаження апроксимується параболічною залежністю, від температури (10°С < t Ј 20°С) – лінійною, від вологості та пористості – гіперболічною. Розподіл величини питомого електричного опору навколо виробок підтверджує хвильовий характер геомеханічних і синергетичних процесів.

4. Співвідношення динамічних і кінематичних параметрів акустичних та електромагнітних полів, які виникають у процесі деформування масиву гірських порід, зовнішніх впливів і синергетичних ефектів, є інформативним показником, який характеризує зміну напружено-деформованого стану породного масиву в просторо-часовому континуумі й найбільш ймовірний напрямок звільнення внутрішньої енергії, що складає базу для кількісної оцінки результатів геофізичного моніторингу.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Розроблено теоретичне обґрунтування механізму процесів самоорганізації породного масиву, ослабленого гірничою виробкою, який полягає в тому, що в результаті впливу геологічних і техногенних факторів відбувається перехід масиву з одного стаціонарного рівноважного стану з мінімальною потенційною енергією в інший. Геомеханічні процеси, що супроводжують цей перехід, носять хвильовий згасаючий характер.

2. З метою виявлення в геомеханічних системах ділянок, що вимагають першочергової прогнозної діагностики і поточного контролю, на основі математичного моделювання досліджені особливості формування навантаження на кріплення з урахуванням стійкості порід покрівлі виробок. Розроблено метод розрахунку навантаження на кріплення, який враховує ідентичність гравітаційних сил гнучкої нитки і гірського тиску, що дозволяє враховувати глибину закладення виробок, кут падіння пластів, які відпрацьовуються, фізико-механічні властивості порід і параметри місця розташування виробок. Запропонований підхід є основою для розробки комплексної методики дослідження геомеханічних процесів у шахтних умовах.

3. Вперше отримані рівняння, що дозволяють по акустичних параметрах середовища, його густині та зміні фази поздовжніх і поперечних хвиль оцінювати різницю діючих у масиві компонентів напружень і визначати найбільш імовірний напрямок вивільнення внутрішньої енергії. Установлено, що параметри поперечних акустичних хвиль виявляються більш чутливими до навантаження не тільки в напрямку розповсюдження хвилі, але й у напрямку її поляризації, а явище дисперсії акустичних хвиль при їхньому розповсюдженні в пористому (тріщинуватому) середовищі виявляється в нелінійній залежності коефіцієнтів згасання від частоти, що в сукупності склало базу для кількісної оцінки напружень і структурних неоднорідностей у вуглепородному масиві.

4. Вперше визначені умови виникнення резонансних явищ у плоскопаралельних структурах і встановлені залежності між величиною контрольованого заколу чи відшарування покрівлі гірничих виробок, частотою акустичних коливань і пружними параметрами досліджуваних систем. Установлено, що резонансна частота вимушених коливань визначається величиною початкових напружень у масиві, його пружними властивостями, потужністю пласта чи відшарування, а також ступенем тріщинуватості; установлено, що резонансні властивості досліджуваної системи зменшуються через погіршення акустичного контакту шару з масивом і його малими в порівнянні з масивом розмірами. Отримано рівняння для оцінки ширини розшарування порід покрівлі по акустичних параметрах масиву.

5. Набули подальшого розвитку теоретичні дослідження з ефективності застосування віброакустичного методу для контролю відшарувань і заколів у покрівлі виробок. Установлено, що при зменшенні ступеня свободи ділянки покрівлі частота її власних коливань зростає по параболічному закону, а статичний прогин і виникаючі при цьому максимальні напруження зменшуються по гіперболічному, що поряд із збільшенням швидкості пружних хвиль, зменшенням коефіцієнта Пуассона й розмірів відшарувань у покрівлі свідчить про підвищення її стійкості. При збільшенні швидкості динамічного впливу стійкість покрівлі виробок знижується.

6. Уперше встановлені закономірності поведінки електричного поля в шаруватому чи тріщинуватому масиві гірських порід: отримано аналітичний зв'язок між позірним електричним опором гірських порід, їхньою вологістю, пористістю, механічними напруженнями й деформаційними параметрами; установлено, що на величину питомого електричного опору впливають як інтегральний напружений стан досліджуваного об'єкта, так і величина напружень у напрямку, в якому виконуються вимірювання; підтверджено хвильовий характер розподілу зон підвищеної тріщинуватості навколо виробок.

7. Розроблено теоретичні основи діагностики властивостей і напружено-деформованого стану шаруватих гірських порід по динамічних і кінематичних параметрах акустичних та електромагнітних полів. Отримано рівняння, що дозволяють оцінювати напружений стан твердого тіла по його пружним, електричним сталим і співвідношенню електромагнітної й акустичної енергій, випромінюваних матеріалом у процесі його деформування чи інших зовнішніх впливів. На основі енергетичного підходу до розгляду тріщиноутворення в гірських породах доведена перспективність застосування пасивних геофізичних методів і спектрального аналізу геофізичної інформації для контролю напружено-деформованого стану породного масиву й прогнозу його зміни в часі та просторі. Ці результати покладені в основу розробки методів натурних досліджень, які відрізняються урахуванням синергетичних явищ та їхнього розвитку в просторо-часовому континуумі.

Наукове значення роботи полягає в розробці теоретичних основ поточного геофізичного контролю та прогнозної діагностики геомеханічного стану породного масиву з урахуванням його структурної неоднорідності, синергетичних процесів, що відбуваються навколо гірничих виробок, та обґрунтуванні механізму їхнього виникнення; у встановленні закономірностей взаємодії фізичних полів у різних геомеханічних структурах.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблено методичне забезпечення геофізичної діагностики стану породного масиву й системи "кріплення-масив" на базі експериментальних і дослідно-методичних досліджень взаємодії споруджень із породним і ґрунтовим масивами з урахуванням можливих змін параметрів об'єктів і навколишнього середовища в часі і просторі.

Розроблені, затверджені Мінвуглепромом СРСР та України, Мінметом СРСР, опубліковані й впроваджені:

· Методика оцінки основних технологічних і технічних параметрів відпрацювання крутих пластів щитовими агрегатами (Київ, 1981).

· Тимчасові методичні вказівки по експрес-визначенню пружних властивостей гірських порід ультразвуковим методом на неопрацьованих зразках кернів геологорозвідувальних свердловин. КД (Мінвуглепром СРСР, 1987).

· Посібник з експрес-визначення міцностних властивостей вуглевміщуючих порід Донбасу по їхніх геологічних характеристиках та акустичних вимірюваннях кернів геологорозвідувальних свердловин. КД (Мінвуглепром СРСР, 1988).

· Посібник по геофізичній діагностиці стану системи "кріплення-породний масив" вертикальних стволів. Доповнення до КД 12.18.073-88 (Мінвуглепром України, 1999).

Розроблено вихідні вимоги на апаратуру і методику автоматизованого експрес-контролю стану масиву і технічне завдання на індикатор стану покрівлі ИСК-1Ш, затверджене Держвуглепромом України.

Розроблені методики, вказівки й посібники забезпечують дослідження властивостей порід на зразках, у натурних умовах, дозволяють оцінювати динаміку формування навантажень на кріплення, контролювати зони руйнування порід, структурні неоднорідності масиву, що забезпечує оптимальний вибір раціональних технологічних рішень при веденні гірничих робіт.

Новизна способу оцінки напруженого стану захищена авторським посвідченням на винахід.

Реалізація розробок і рекомендацій роботи.

Розроблені автором нові способи та методики на базі теоретичних і методичних основ пройшли промислові випробування на шахтах: ім. А.Г. Стаханова, "Кураховська", "Жовтневий рудник", "Краснолиманська", "Павлоградська", "Західно-Донбаська", "Білозерська", "Комсомолець Донбасу", "Прогрес", "АП Шахта ім. Засядько", ім. Героїв Космосу, "Зоря".

Методики та критеріальна база вібродіагностики розшарування порід у покрівлі виробок застосовані на гіпсових шахтах (м. Артемовськ – Україна; м. Новомосковськ, с.м.т. Пешелань – Росія).

Розробки за методикою електрометричних вимірів широкомасштабно використані при діагностиці властивостей і стану ґрунтових товщ на гідротехнічних об'єктах меліоративного призначення (Карабутовське водоймище, Краснопавлівський гідровузол та ін.).

Методика по експрес-визначенню міцностних і пружних властивостей гірських порід ультразвуковим методом використана в навчальному процесі Національного гірничого університету України.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні проблеми, мети, ідеї та задач дослідження, наукових положень, висновків і рекомендацій, а також теоретичному рішенні поставлених задач, в участі при проведенні експериментальних досліджень, обробці й аналізі отриманих результатів, розробці нормативно-методичних документів, методик, критеріїв і параметрів контролю й стану геотехнічних систем, впровадженні результатів досліджень у виробництво. Текст дисертації викладено автором особисто.

Апробація результатів досліджень. Основні положення роботи повідомлені на п'ятьох Всесоюзних конференціях по фізиці гірських порід і процесів гірничого виробництва (Москва, 1981, 1984, 1988, 2000, 2002), на п'ятьох Всесоюзних конференціях по механіці гірських порід (Москва, 1987, 1993; Фрунзе, 1978; Дніпропетровськ, 1981; Тбілісі, 1985), 7-ому Міжнародному конгресі по маркшейдерській справі (Ленінград, 1988), Всесоюзному семінарі "Вимір напружень у масиві гірських порід" (Новосибірськ, 1983), п'ятьох Всесоюзних семінарах "Гірнича геофізика" (Тбілісі, 1981; Сухумі, 1983; Батумі, 1988; Боржомі, 1987; Телаві, 1989), 6-ому Всесоюзному з'їзді по теоретичній і прикладній механіці (Ташкент, 1986), Всесоюзній вугільній конференції (Ростов-на-Дону, 1981), Всесоюзній науково-технічній конференції "Дослідження, прогноз і контроль прояву гірського тиску (Ленінград, 1982), 2-ому Всесоюзному симпозіумі по механіці руйнування (Житомир, 1985), Всесоюзному симпозіумі "Тектонічні основи й інженерно-геологічні аспекти вивчення напруженого стану порід при розвідці й експлуатації родовищ", на IV Міжнародній науковій конференції "Матеріали для будівельних конструкцій" (Дніпропетровськ, 1996), Міжнародній науково-практичній конференції (Львів, 1996), II науковій школі "Імпульсні процеси в механіці суцільних середовищ" (Миколаїв, 1996), на семінарі "Екологія води і здоров'я людини" (Київ, 1996), Міжнародній науково-практичній конференції "XXI сторіччя – проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин" (Дніпропетровськ, 1998), Першій Міжнародній конференції "Геотехнічна механіка освоєння надр" (Дніпропетровськ, 1998).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 52 наукових працях, з яких 2 опубліковані в монографії, 43 у наукових фахових виданнях, у тому числі 4 брошури, 1 авторське свідоцтво на винахід, 5 депонованих робіт, 5 тез доповідей і 14 робіт у єдиному авторстві.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел з 360 найменувань, містить 385 сторінок машинописного тексту, у тому числі 70 рисунків, 8 таблиць; 58 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Проведений у дисертації аналіз робіт вітчизняних і зарубіжних вчених дозволив систематизувати уявлення про ефективність та інформативність геофізичного моніторингу складно-структурних геомеханічних систем. Класифікація геомеханічних систем по їхньому функціональному призначенню дає можливість оцінити найбільш загальну спрямованість і наслідки процесів взаємодії між технологічними та гірничо-геологічними факторами.

Одна із специфічних особливостей геосистем, що полягає в її здатності самоорганізовуватися, найбільш точно характеризується терміном "синергетика", уведеним Г. Хакеном 20 років тому і вивчаючим еволюцію складних нерівноважних природних систем. Цей напрямок одержав подальший розвиток у роботах К. Єсипчука, В.С. Іванової, В.В. Індутного, Ю.Л. Клімонтовича, Ф.А. Лєтнікова, А.Ю. Лоскутова, Є.М. Макушка, О.Ф. Морозова, Г. Ніколіса, Є.М. Пашкіна, І. Пригожина та ін.

При проведенні досліджень стану геологічного чи геофізичного середовища виникає необхідність прийняття тієї чи іншої моделі. Для реалізації модельно-цільового підходу до досліджуваних систем в ієрархію об'єктів дослідження включені тільки ті, котрі становлять інтерес при проведенні геологорозвідувальних і гірничих робіт як об'єкти геофізичного моніторингу. При диференціації можна виділити кілька масштабних рівнів геомеханічних систем, що характеризуються визначеними закономірностями зміни фізичних величин.

Наявність структури в гірському масиві відзначено давно, але структурні елементи є лише наслідком деформаційного процесу, що самоорганізується, а для геомеханіки структура породного масиву важлива як форма організації, упорядкування твердого середовища. Вивчення структур літосфери. як форм самоорганізації геофізичного середовища, дозволить одержати найбільш об'єктивну інформацію про властивості та стан породного масиву, геомеханічних систем і стійкості підземних споруджень.

Значний внесок у вирішення проблем оцінки та керування станом породного масиву внесли вчені: А.Ф. Булат, М.С. Буличьов, В.В. Виноградов, В.Т. Глушко, Е.І. Єфремов, Ю.З. Заславський, М.П. Зборщик, А.М. Зорін, Ю.П. Капленко, Ю.М. Карташов, В.Г. Колєсніков, В.В. Левіт, Г.Г. Литвинський, В.В. Назімко, В.І. Ніколін, Л.В. Новікова, В.Г. Перепелиця, Г.Г. Півняк, В.М. Потураєв, М.М. Протодьяконов, І.О. Садовенко, А.М. Ставрогін, Б.М. Усаченко, О.М. Шашенко, Є.І. Шемякін та ін.

При цьому найважливішими фізико-механічними характеристиками гірських порід, що застосовуються для рішення задач прогнозу стійкості виробок, є межі міцності на стиск і розтягування, кут внутрішнього тертя, коефіцієнт зчеплення, модулі пружності, коефіцієнт Пуассона, реологічні параметри і т.д. Тому виникає необхідність у визначенні цих параметрів, і в цьому зв'язку дуже перспективними є геофізичні методи контролю, які знайшли широке застосування в практиці розвідки та розробки корисних копалин, що дозволяють значно знизити трудомісткість робіт і забезпечити надійний оперативний експрес-контроль досліджуваних об'єктів. Вагомий внесок у розвиток гірничої геофізики внесли М.С. Анциферов, О.А. Байконуров, Є.С. Ватолін, Ю.А. Векслер, В.О. Гончаренко, В.А. Мельніков, Н.Р. Надірашвілі, В.М. Проскуряков, В.В. Ржевський, М.А. Садовський, С.І. Скіпочка, Б.Г. Тарасов, І.А. Турчанинов, А.О. Яланський, В.С. Ямщиков.

На підставі аналізу стану питання по розробці науково-методичних основ геофізичного контролю й оперативної діагностики геомеханічного стану складно-структурного породного масиву зроблений важливий методологічний висновок про неправомірність дослідження властивостей і стану геомеханічних систем поза рамками синергетичного підходу.

Відомі теоретичні й експериментальні дослідження, як правило, не враховують нелінійності розглянутого середовища, хвильової природи геомеханічних процесів і синергетичних ефектів, які відбуваються в породному масиві. Крім того, дотепер не визначені раціональні параметри геофізичного контролю, не існує необхідного методологічного забезпечення, нормативної документації, які дозволяють одержувати комплексну й оперативну інформацію про стан геотехнічних систем у складно-структурних середовищах, а, найчастіше, і в екстремальних ситуаціях.

З метою вивчення механізму процесів самоорганізації породного масиву, виведеного зі стану стійкої рівноваги в результаті проведення виробок і вибору найбільш інформативних параметрів, які характеризують його як геофізичне середовище, виконані дослідження впливу гірського тиску на формування навантаження на кріплення гірничих виробок, пройдених у породах різної стійкості.

З урахуванням стійкості порід покрівлі розроблені математичні моделі формування навантаження на кріплення, які засновані на гіпотезах гірського тиску. Запропоновано підхід, що служить основою для розрахунку навантаження на кріплення у гірських породах різної стійкості.

Для слабо зв'язаних розпушених тріщинуватих порід отримані рівняння, які дозволяють оцінити навантаження, що діє на кріплення, максимальну висоту зводу та критичне значення величини прольоту в момент часу, що передує обваленню. На основі теорії гнучкої нитки розроблено метод розрахунку навантаження на кріплення, який дозволяє враховувати глибину закладення виробок і кут падіння пластів, що відпрацьовуються. Такий методичний підхід дозволяє врахувати не тільки глибину закладення виробок, але і ввести динамічне осциліруюче навантаження, що впливає на кріплення.

Для шаруватих порід середньої стійкості на основі гіпотези балок зроблений розрахунок взаємодії кріплення з покрівлею. Отримано рівняння для визначення величини реакції механізованого кріплення та розрахований критичний крок його посадки. Так як експериментальні спостереження дають або завищені (у випадку зависання покрівлі), або занижені (у випадку додаткового навантаження з боку основної покрівлі) значення, тому, знаючи характер поведінки безпосередньої покрівлі та розрахунковий крок посадки, можна для конкретних умов внести відповідні поправки у формули.

Запропонований підхід дозволить оцінити навантаження на кріплення при проведенні капітальних і підготовчих виробок і при будівництві тонелей, а також виявляти такі області в породному масиві, в яких прояв гірського тиску найбільш небезпечний, і саме в цих областях доцільно установлювати вимірювальні станції, що дозволяють здійснювати як поточний, так і оперативний контроль за станом породного масиву й прогнозувати його поведінку в просторово-часовому континуумі.

В отримані рівняння для теоретичної оцінки навантаження на кріплення та його параметрів входять величини, що характеризують пружні, міцностні, а також в'язкі та реологічні властивості гірських порід і матеріалів кріплення, які можливо дуже оперативно визначити в лабораторних чи натурних умовах геофізичними методами.

Для виявлення особливостей і уточнення механізму синергетичних процесів, що відбуваються в породному масиві, ослабленому гірничими виробками, розглянута виробка циліндричної форми, яка розташована в тріщинуватому породному масиві на глибині H. Установлено, що в результаті спільного впливу нормальних і тангенціальних напружень навколо виробки спостерігаються синергетичні ефекти з утворенням подібних структур, в результаті чого в масиві виникає квазістаціонарна згасаюча хвиля напружень, що має вигляд: , де s0 – початкові напруження на контурі виробки; a - коефіцієнт згасання квазістаціонарної хвилі; R0 – радіус виробки; r – відстань від контуру виробки в глибину масиву, t – поточний час; t – час релаксації.

Таким чином, знаючи характер розподілу величини гірського тиску, а також закономірності протікання синергетичних процесів навколо гірничої виробки, можна прогнозувати небезпечні по обваленню області в масиві гірських порід, у яких і варто встановлювати вимірювальні геофізичні станції.

Для розвитку й удосконалення геофізичного моніторингу синергетичних ефектів і напружено-деформованого стану породного масиву виконані теоретичні дослідження хвильових і синергетичних процесів, резонансних явищ та особливостей формування фізичних полів у різних геомеханічних структурах.

Досліджено резонансні явища в різних плоскопаралельних структурах масиву гірських порід на основі динамічного підходу. В результаті рішення рівняння руху з урахуванням початкових напружень і згасання установлено, що резонансна частота вимушених коливань визначається величиною початкових напружень у масиві, його пружними властивостями, тріщинуватістю, яка враховується через коефіцієнт Пуассона, а також товщиною відшарування порід

, (1)

де d – товщина відшарування; Е, G, r – модулі пружності й густина середовища; n – коефіцієнт Пуассона.

Якщо частота збурюючої сили мала в порівнянні із власною частотою коливань системи, то амплітуда вимушених коливань визначається співвідношенням зовнішніх і початкових напружень. У тому випадку, коли частота збурюючої сили велика в порівнянні із власною частотою коливань покрівлі, що відшарувалася, амплітуда змушених коливань виявляється дуже малою. На підставі кінематичного підходу розглянуті резонансні явища в плоскопаралельних структурах (тришарове середовище) і встановлено, що резонансні властивості досліджуваної системи зменшуються через погіршення акустичного контакту шару з масивом та його малими в порівнянні з масивом розмірами. Отримано формулу для оцінки ширини розшарування порід покрівлі по акустичних параметрах масиву.

Дано теоретичне обґрунтування застосування віброакустичного методу для контролю різних порушень (заколів, відшарувань) у покрівлі. Установлено, що на частоту власних коливань ділянок покрівлі впливають три фактори: тип породи, умови закріплення та розміри відшарувань.

Для різних умов закріплення відшарування зі сторонами а, b і товщиною d отримані формули для визначення частоти його власних коливань, величин статичного прогину, а також виникаючих у ньому максимальних напружень

; ; , (2)

де – швидкості поздовжніх хвиль у непорушеному масиві; n – коефіцієнт Пуассона; A – акустичний коефіцієнт тріщинуватості; – компоненти початкових напружень; K – модуль всебічного стиску (знак "-" відповідає стиску, а знак "+" – розтягуванню); ai, bi, g i, e i – коефіцієнти для різних умов закріплення відшарування.

Зі зменшенням ступеня свободи відшарування покрівлі виробки спостерігається зростання частоти власних коливань по параболічному закону, зменшення статичного прогину та виникаючих при цьому максимальних напружень по гіперболічному закону, що свідчить про збільшення стійкості ділянки покрівлі. Про це свідчать також збільшення швидкості пружних хвиль, зменшення розмірів відшарувань покрівлі та коефіцієнта Пуассона, тобто ступеня її тріщинуватості. Таким чином, частота й амплітуда власних коливань ділянки покрівлі гірничої виробки є дуже інформативними показниками її стану.

Визначені динамічні параметри ділянок покрівлі з урахуванням утрат кінетичної енергії при ударі. Встановлено, що, чим вище швидкість ударника в момент його удару об покрівлю і нижче частота її власних коливань, тим більше прогин ділянки покрівлі і вище динамічні напруження.

З урахуванням особливостей гірничої геофізики розроблені теоретичні основи електрометричного контролю стану плоскопаралельних породних структур. Отримано аналітичний зв'язок між позірним електричним опором гірських порід чи будь-якого іншого об'єкта геотехнічних систем та їхньою вологістю, пористістю, механічними напруженнями, деформаційними параметрами, а значить і тріщинуватістю середовища.

Такий теоретичний підхід дозволяє оцінити основні фактори, що впливають, на електричний опір геоматеріалів при відпрацьовуванні методики їхньої діагностики в різних умовах.

Для гірських порід різного ступеня вологості з урахуванням початкових напружень у породному масиві, при деяких допущеннях, отримані наступні вирази для визначення питомого електричного опору для шарів гірських порід з коефіцієнтом водонасичення, меншим 0,8:

, (3)

а для гірських порід з коефіцієнтом водонасичення, більшим 0,8 -

, (4)

де , - питомі електричні опори води в порах і мінерального скелету, відповідно ; We – вологість гірських порід на одиницю сухої маси в частках одиниці; g1 – відношення питомої ваги гірських порід до питомої ваги води; m0 – пористість гірських порід; (по індексу i немає підсумовування).

З отриманого рішення випливає, що на величину питомого електричного опору впливає як об'ємний напружений стан, так і величина напружень, які діють у напрямку, в якому робляться вимірювання.

З метою виявлення залежності питомого електричного опору від відкритої пористості чи тріщинуватості геосередовище розглянуто як система, що складається з твердої, рідкої і газоподібної фаз. Так як вирази, які отримані при точному рішенні задачі, дуже громіздкі, то, прийнявши ряд допущень, отримане рівняння:

, (5)

де rн – питомий електричний опір непорушеного гірського масиву; mn – відкрита пористість чи ступінь тріщинуватості досліджуваної ділянки.

З приведеного рівняння випливає, що залежність питомого електричного опору середовища від пористості змінюється по гіперболічному закону, що збігається з результатами експериментальних досліджень (похибка не перевищує 17 %).

У різних методах електророзвідки найчастіше як джерело змінного електромагнітного поля застосовується багатовиткова рамка, яку обтікає струм I. Якщо відстань від рамки до досліджуваного об'єкта набагато перевищує розміри рамки, то її поле збігається з полем магнітного диполя, вісь якого перпендикулярна до площини витків рамки, а магнітний момент дорівнює . У цьому випадку для масиву, який знаходиться в напруженому стані, з урахуванням деяких припущень, отримано вираз для позірного електричного опору rk:

, , (6)

де m0 – магнітна стала середовища, k – хвильове число.

Враховуючи (6), можна зробити висновок, що величина вимірюваного ефективного електричного опору середовища залежить від частоти наведеного електромагнітного поля, а величина діючих у масиві напружень впливає на зміну ефективного опору через зміну ступеня порушеності досліджуваного середовища.

Викладений теоретичний підхід дозволяє оцінити основні фактори, що впливають на електричний опір гірських порід і ґрунтів при відпрацьовуванні методики їхньої діагностики в різних умовах і довести хвильовий характер розподілу зон підвищеної тріщинуватості навколо виробок.

Сукупність отриманих теоретичних розробок покладена в основу створення методології геофізичного моніторингу різних структурних неоднорідностей у вуглепородному масиві, відшарувань у покрівлі й боках виробок, а також напрямків переважної орієнтації зон підвищеної тріщинуватості та являє собою базу для розробки науково-технічних принципів діагностики дезінтеграції масиву гірських порід, структурно-фазових переходів, що є наслідком прояву синергетичних ефектів, і керування станом горнотехнічних споруд.

З метою створення методологічної бази геофізичного моніторингу і прогнозної діагностики напружено-деформованого стану вуглепородного масиву виконані теоретичні дослідження з обґрунтування інформативності геофізичного контролю стану складно-структурного породного масиву.

При вивченні можливостей акустичних методів для діагностики напруженого стану масиву гірських порід вирішені рівняння руху з урахуванням фізичної та геометричної нелінійності середовища й отримані вирази для визначення швидкостей, коефіцієнтів згасання та зсуву фаз акустичних хвиль у шаруватому, пористому (чи тріщинуватому) середовищі, з яких виходить, що ріст напружень до значень, що не перевищують межі міцності порід, приводить до збільшення швидкостей акустичних хвиль і зменшення їхніх коефіцієнтів загасання. Параметри поперечних акустичних хвиль виявляються більш чутливими до навантаження не тільки в напрямку поширення хвилі, але й у напрямку її поляризації, а явище дисперсії акустичних хвиль при їхньому поширенні в шаруватому пористому (тріщинуватому) середовищі виявляється в нелінійній залежності коефіцієнтів згасання від частоти.

Для швидкостей і коефіцієнтів згасання поперечних хвиль, що розповсюджуються перпендикулярно шаруватості в пористому середовищі, у першому наближенні отримані наступні вирази:

;

, (7)

де l5 – модуль пружності трансверсально-ізотропного середовища; – середня густина середовища; r1 – густина непористої фази; kn – пористість середовища; – час релаксації; w – частота пружної хвилі; j – напрямок поляризації поперечної хвилі.

Для контролю напруженого стану масиву запропоновано фазовий підхід, що дозволяє по акустичних параметрах середовища, його густині та зміні фази поперечних хвиль d оцінювати різницю діючих у масиві компонентів напружень, а значить і визначати найбільш імовірний напрямок вивільнення внутрішньої енергії.

Для хвилі, що розповсюджується перпендикулярно шаруватості, зсув фаз дорівнює:

, (8)

а для хвилі, що розповсюджується паралельно шаруватості, -

, (9)

де (i = x, y, z) – головні компоненти тензора початкових напружень, d – товщина шару.

Запропоновано коефіцієнт анізотропії Q гірських порід із плоскопаралельною структурою, що характеризує не тільки анізотропію пружних властивостей, але й анізотропію розподілу напружень у породному масиві

. (10)

Так, для гірських порід із ступенем шаруватості n = 0,1 мм-1 середній коефіцієнт анізотропії Qcp = 1,17, а для гірських порід із n = 0,86 мм-1 Qcp = 1,60. Слід зазначити, що характер зміни швидкостей ультразвукових хвиль, що розповсюджується паралельно й перпендикулярно шаруватості, від напружень різний.

Встановлені залежності для потенціалу та напруженості електромагнітного поля, що виникає при впливі пружних хвиль на сейсмоелектрично активну область гірського масиву, від пружних, акустичних та електричних властивостей вологоутримуючих гірських порід й отримана формула, що дозволяє оцінити величину механічних напружень у досліджуваному масиві на основі застосування сейсмоелектричного методу.

Розглянуто можливості пасивних геофізичних методів для дослідження напруженого стану породного масиву. На основі енергетичного підходу до вивчення тріщиноутворення в гірських породах отримано рівняння, що зв'язує величини механічних напружень у масиві з його поверхневою енергією, енергією акустичних та електромагнітних хвиль.

Запропоновано теоретичне обґрунтування діагностики фізико-механічних властивостей та напруженого стану осадочних гірських порід шляхом використання динамічних і кінематичних характеристик акустичних та електромагнітних полів. Отримано рівняння, що дозволяє оцінювати величину діючих напружень у сейсмоелектрично активному шаруватому масиві по пружних та електричних параметрах досліджуваного середовища та відношенню енергій акустичного й електромагнітного випромінювань, що з урахуванням загасаючого хвильового характеру геомеханічних процесів навколо гірничих виробок записується в такому вигляді:

, (11)

де a1, b1, d1 – електричні параметри досліджуваного середовища; Wu, WE– щільності енергій акустичних та електромагнітних випромінювань; e0 – електрична стала; e* – відносна деформація.

Вивчено методичні та теоретичні аспекти спектрального аналізу геофізичної інформації, отриманої в результаті контролю властивостей і стану напруженого дрібношаруватого пористого середовища із шарами, що чергуються, і встановлено, що щільність комплексного спектра зсуву поздовжніх і поперечних хвиль має високий ступінь інформативності про ступінь порушеності об'єктів.

Таким чином, теоретичні дослідження дозволили виявити найбільш інформативні параметри методів геофізичного контролю для оцінки напружено-деформованого стану породного масиву й прогнозу зміни його в часі та просторі.

З метою експериментальної перевірки достовірності отриманих теоретичних передумов по оцінці властивостей і стану складно-структурного породного масиву, відпрацьовування методичних основ діагностики, а також виявлення особливостей фізичних процесів у породах, що пояснюють розходження статичних і динамічних модулів, за допомогою серійної ультразвукової апаратури УК-10ПМС, розробленої в ІГТМ НАН України, виконані лабораторні дослідження на гіпсових зразках Артемівського, Новомосковського та Пешеланьського родовищ і кернах гірських порід Західного та Центрального районів Донбасу.

В результаті ультразвукових досліджень визначено комплекс фізико-механічних характеристик гірських порід і коефіцієнти тріщинуватості зразків (табл. 1). Достовірність вимірів підтверджується значним обсягом вимірів, що забезпечують похибку, яка не перевищує 15-20 %, за умови досягнення визначеної імовірності 0,9-0,95. З порівняння динамічних і статичних модулів

Таблиця 1

Фізико-механічні параметри зразків, визначені методом ультразвукового прозвучування

(гірські породи родовищ Центрального й Західного районів Донбасу,

гіпси – Артемівського, Новомосковського і Пешеланьского родовищ)

Літотипи порід Густина осадових гірських порід, rЧ10-3, кг/м3 Швидкість поздовжніх хвиль у зразках, Vp, км/с Швидкість поперечних хвиль у зразках, Vs, м/с Дина- мічний модуль пруж- ності, Eд, ГПа Статич- ний модуль пруж- ності, Eс, ГПа Модуль зсуву, G, ГПа Коефі-цієнт Пуас- сона, n Коефіцієнт тріщинуватості, kтр Коефіцієнт згасання, as, м-1 Коефіцієнт в'язкості, hs, ГПаЧс Час релаксації, t, с

Гіпс 2,1-2,5 1,5-5,2 0,75-2,76 2,9-50,6 1,5-26,6 1,2-19,0 0,22-0,33 0,28 0,2-30,6 (0,4-1,1)Ч103 (0,02-1,0)Ч103

Пісковик 2,0-2,9 0,8-4,5 0,40-2,70 0,5-59,2 0,5-58,5 0,2-21,1 0,26-0,37 0,18 1,4-71,0 (0,31-40,7)Ч104 (0,15-2034)Ч103

Алевроліт 1,8-2,8 0,8-4,0 0,40-2,40 0,7-42,8 0,6-41,4 0,3-16,1 0,22-0,33 0,20 1,98 (0,4-51,3)Ч104 (0,20-2566)Ч103

Аргіліт 1,7-2,9 0,9-4,5 0,56-2,25 0,5-39,0 0,2-14,2 0,2-14,7 0,18-0,33 0,20 1,94 (0,6-71,6)Ч104 (0,39-3580)Ч103

Вапняк 1,8-2,9 1,0-5,5 0,60-3,30 1,1-84,0 0,4-33,0 0,4-31,6 0,15-0,20 0,18 1,92 (0,6-109,1)Ч104 (0,19-2730)Ч103

пружності виходить, що значення динамічних модулів пружності в 2-3 рази перевищують значення статичних модулів. Установлено, що акустична зсувна в'язкість на 1-2 порядки менше статичної в'язкості, а часи релаксації, визначені статичним методом, на 3-4 порядки перевищують часи релаксації, визначені динамічним методом. Лабораторні дослідження дозволили виявити фізичні особливості процесів, що відбуваються в гірських породах при динамічному та статичному навантаженні, природу розходження в значеннях модулів пружності й інших параметрів, визначених цими методами, яка полягає в тому, що при динамічних процесах гірська порода поводиться як екстропружнє середовище, а при статичних – як в'язке. Встановлено, що для шаруватого середовища найбільш інформативними з модулів, які характеризують пружні властивості перпендикулярно шаруватості, є l1, паралельно шаруватості – l2, l3, під кутом 45° – l4. Виявлено, що величини модулів Юнга та зсуву мають мінімальні значення в напрямку 45° до шаруватості порід, що пояснюється додатковим впливом зсувних напружень, які виникають на границі шарів. Дослідження, проведені на шахтах Центрального району Донбасу, дозволили установити, що модулі пружності E і зсуву G у горизонтальному напрямку перевищують їхні значення у вертикальному напрямку, що пояснюється підвищеною тектонічною активністю цього району. При зміні модулів пружності по мірі віддалення від контуру виробки чітко просліджуються зони, що чергуються, знижених і підвищених напружень; це підтверджує хвильовий характер розподілу зон дезінтеграції та протікання синергетичних процесів у масиві навколо виробок і наявність синергетичних ефектів.

Таким чином, як теоретичними, так і експериментальними дослідженнями доведено високий ступінь інформативності ультразвукового методу для визначення фізико-механічних властивостей та оцінки напруженого стану складно-структурного масиву гірських порід, а також контролю процесів самоорганізації в породному масиві.

Віброакустичні дослідження в складно-структурному породному масиві й різних геомеханічних структурах підтвердили правомірність висновків теоретичних досліджень про високу інформативність методу при контролі видимих, схованих розшарувань, відшарувань і заколів в покрівлі та стінках гірничих виробок, оцінки їхньої відносної стійкості,