Этапы построения моделей геомеханических явлений.

Изучение и анализ любого явления в природе, независимо от его сложности и многофакторности, могут быть осуществлены на модели этого явления, которая в процессе познания может уточняться и совершенствоваться, оставаясь, однако, лишь моделью, в той или иной степени адэкватной рассматриваемому явлению.

Совершенствование моделей отнюдь не обязательно означает их усложнение Напротив, для изучения влияния тех или иных факторов часто оказывается методически целесообразным их упрощение, например, расчленение сложной модели на ряд более простых специализированных моделей. Построение таких специализированных моделей сложного природного явления представляет исключительную возможность дляего всестороннего анализа и широко используется в науке и практике.

Как показывает опыт, при решении конкретных вопросов геомеханики недостаточно иметь разработанную классификацию массивов и пород, недостаточно иметь результаты исследования свойств и состояния пород в виде паспортов, также недостаточно знать закономерности распределения напряжений в элементах системы разработки необходимо ещё иметь чёткие представления о взаимном пространственном расположениитех или иных разновидностей пород с соответствующими деформационно-прочностными характеристиками для рассматриваемой конкретной ситуации, а также данные о структурных характеристиках массивов пород и, в частности, о тех, которые в данном конкретном случае оказывают главное влияние. Кроме того, необходимо иметь пространственную картину расположения выработок в интересующей области, также с выделением основных выработок, которые должны быть непременно рассмотрены и второстепенных, которыми можно пренебречь и не учитывать в расчётах.

Другими словами, для решения вопросов геомеханики необходимо составлять различные модели ситуации. Такой методологический подход постепенно завоевывает всеобщее признание.

Степень адекватности разрабатываемых моделей реальному явлению в принципе должна соответствовать как уровню развития методов и средств решения поставленных задач, так и требованиям точности и надежности выдаваемых результатов.

Применительно к вопросам геомеханики первым этапом в свете упомянутого подхода является построение инженерно-геологической модели массива пород, в котором проводятся горные работы.

Первичной основой для построения инженерно-геологической модели массива пород служит обычная геологическая документация - геологические планы (карты) и разрезы, которые по сути являются специализированными моделями реального массива пород. Однако основное отличие инженерно - геологической модели от этих материалов заключается в одновременном комплексном анализе геологических условий, физико-механических свойств пород и начального напряжённого состояния массива. На этой основе выполняется целенаправленная схематизация и, наряду с этим, районирование исследуемого массива пород.

Схематизация заключается в упрощении, как правило, сложного строения и состава массива, уменьшения разнообразия пород путём объединения их в комплексы с близкими показателями физико-механических свойств, а также одинаковыми особенностями поведения пород при различных воздействиях на них. Это, в свою очередь, требует последовательной разработки и последующего анализа ряда вспомогательных, частных моделей изучаемого массива - моделей (схем), характеризующих литологическое строение, структурные особенности, начальное напряженное состояние, экзогенное изменение пород изучаемого массива и др. Во многих случаях уже сама инженерно-геологическая модель позволяет прогнозировать возможность возникновения различных процессов или явлений - обвалов, оползней, разгрузки, выветривания и т. п. Все эти частные модели должны быть жестко увязаны между собой и обеспечивать в конечном итоге решение основной задачи — количественного анализа явлений и процессов, происходящих в изучаемом массиве горных пород в результате горных работ или подземного строительства.

В свою очередь, созданию инженерно-геологической модели должна предшествовать разработка инженерно-геологической классификации пород, на основе чего выполняется районирование массива. В результате производится выделение отдельных блоков массива, в пределах которых инженерно-геологические условия, и в частности, напряженное состояние и свойства пород, могут быть приняты достаточно однородными.

В качестве примера на рис. 5.1 приведена инженерно-геологическая модель массива горных пород Ковдорского месторождения комплексных (бадделеит-апатит-магнетитовых) руд.

Рис.5.1. Инженерно-геологическая модель массива горных пород Ковдорского место-рождения комплексных (бадделеит-апатит-магнетитовых) руд.

1-5 - инженерно-геологические литотипы (1 - первый; 2 - второй; 3 - третий; 4 - четвёртый; 5 - нерасчленённые третий и четвёртый); 6 - границы зоны дезинтеграции; 7 - границы районов (блоков) и их номера; 8 - тектонические зоны первого порядка и их номера.

Ковдорское месторождение комплексных руд сложено изверженными породами, принадлежащими к формации ультраосновных щелочных пород каледонского тектоно-магматического цикла. Месторождение имеет отчётливо кольцевое центробежно-зональное строение. Его ядро сложено древними оливинитами, которые окружены прерывистой оболочкой пироксенитов. Более молодые породы уртит-ийолит-мельтейгитовой серии образуют вокруг ядра почти сплошное невыдержанное по мощности кольцо.

Рудная зона месторождения представляет собой дуговидную прерывистую зону, обращённую выпуклостью на юго-восток, с кулисным размещением основных рудных тел. В направлении с севера на юг эта зона меняет свою ориентировку с субмеридиональной на юго-западную. На участке её изгиба локализуется основная масса руд, образуя субвертикальную трубообразную главную рудную залежь с несколькими апофизами.

Массив горных пород Ковдорского месторождения является неслоистым с преимущественно радиально-кольцевым развитием трещин, характеризуется 5 - ю уровнями структурной иерархии и вертикальной гипергенной зональностью. Каждый из структурных уровней представлен определённым масштабом проявления (порядком) разрывных нарушений и размерами ограниченных этими нарушениями блоков пород, последовательно уменьшающимися с повышением структурного уровня и соответственно порядка нарушений от первого до пятого.

Первый структурный уровень определяется наиболее крупными, сложного строения зонами трещиноватости, а местами и смятия пород, мощностью в десятки и сотни метров, которые протягиваются обычно через всё месторождение. Всего закартировано семь разрывных нарушений 1-го порядка - северо-западного, северо-восточного, субмеридионального и субширотного простирания, мощностью от 20-60 до 250 м.

Второй и третий структурные уровни представлены:

n одиночными крупными трещинами с притёртыми стенками, сопровождающимися обычно зоной трещиноватых или дроблёных пород;

n несколькими крупными или множеством мелких сближенных субпараллельных трещин;

n зонами интенсивно трещиноватых (до блоков размером 3-5 см) с глинкой трения пород, имеющих нечёткие контакты или ограниченных субпараллельными притёртыми плоскостями.

Мощность нарушений второго порядка составляет 0.5 - 6.0 м при протяжённости 250-500 м. Мощность нарушений третьего порядка - 0.05 - 0.5 м, протяжённость - до 100 м, а расстояние между ними составляет 5-30 м.

Четвёртый уровень (порядок) представлен хорошо выраженными трещинами мощностью до 1-2 см и протяжённостью не менее 30 м. Их заполнителем обычно является механически нарушенный карбонатно-слюдистый материал. Расстояние между трещинами колеблется от 4 до 15 м, составляя в среднем 7 м.

Пятый структурный уровень выражен мелкими трещинами самых различных направлений мощностью до 0.5 см и протяжённостью 3-20 м.

Петрографические разновидности пород и руд месторождения сгруппированы в пять инженерно-геологических литотипов, отличающихся друг от друга прочностными свойствами, размерами элементарного структурного блока и особенностями геометрии решётки трещиноватости. Первые четыре литотипа - первичные слабо затронутые выветриванием породы и руды (в порядке снижения прочности):

первый - метаморфиты (гнейсы, фениты);

второй - щелочные породы;

третий - гипербазиты (оливиниты, апооливинты и пироксениты);

четвёртый - руды и карбонатиты.

Первые три литотипа относятся к очень прочным ([s_сж]³ 120 МПа), а четвёртый - к прочным грунтам ([s_сж]=50-120 МПа). Первый литотип имеет преимущественное распространение в юго-восточной, второй - в западной, а третий - в северной и северо-восточной частях породного обрамления Главной рудной залежи. Пятый литотип представлен продуктами зоны выветривания и интенсивной дезинтеграции всех предыдущих литотипов - скальными грунтами средней ([s_сж]=15-50 МПа) и малой ([s_сж]=5-15 МПа) прочности, полускальными и рыхлыми грунтами.

В результате выполненного районирования действующего карьера выделено 20 инженерно-геологических блоков, каждый из которых количественно охарактеризован параметрами ориентировки системы трещин и блочности различных порядков, глубиной зоны дезинтеграции пород и уровнем подземных вод.

Вторым этапом данного методологического подхода является разработка на базе инженерно-геологической модели рассматриваемого массива геомеханической модели конкретной горно-технологической ситуации, подземного сооружения или горной выработки, для которых необходимо выполнить оценку устойчивости пород в обнажениях, определить параметры устойчивых элементов, рациональный порядок разработки, вид крепи или решить какие-либо другие задачи геомеханики. При этом, как мы уже не раз подчёркивали, особенностью массивов скальных пород является первоочередная необходимость выделения тех типов и видов структурных неоднородностей, которые в данном случае будут решающим образом влиять на состояние рассчитываемых сооружений и выработок.

Переход от инженерно-геологической модели к геомеханической, как правило, сопровождается дальнейшим обобщением исходных материалов и также может осуществляться с помощью вспомогательных моделей (схем), отражающих особенности напряжённо-деформированного состояния или поведения под нагрузкой отдельных участков или областей пород массива в пределах конкретных элементов систем разработки - выработок, целиков и т.д.

В целом же если инженерно-геологическая модель является в определённом смысле общей моделью массива, то геомеханическая модель должна быть предельно конкретной, ее содержанием будет являться весь комплекс исходных данных о напряженном состоянии, свойствах и структурных особенностях массива пород, дополненных данными о параметрах горных выработок и других элементов систем разработки, необходимых для решения поставленных задач применительно к данному объекту.

На рис. 5.2 показана геомеханическая модель карьера, разрабатывающего Ковдорское месторождение, построенная на основании инженерно-геологической модели (см. рис. 5.1). Эта модель создана путём идеализации (генерализации) инженерно-геологической модели в отношении свойств и геометрии породного массива, а также зоны существенного влияния карьера.

Вид и содержание геомеханической модели в определенной степени определяются теми исходными предпосылками, которые положены в основу метода решения поставленной задачи. В случае физического моделирования - физической

 

 

Рис. 5.2. Геомеханическая модель карьера ОАО «Ковдорский ГОК»

1 - структурные элементы модели и их номера; 2 - изолинии поверхности карьера на конец отработки (первая очередь) и их значения в абсолютных отметках, м.