Результаты экспериментальных исследований естественного напряженного состояния многолетнемерзлого массива

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЕСТЕСТВЕННОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛОГО МАССИВА

Институт горного дела Севера СО РАН, г. Якутск, Россия

В настоящее время область криолитозоны, в частности, в Якутии остается малоизученной с точки зрения контроля и анализа естественных напряжений, действующих в верхней части земной коры, а натурные их измерения в подземных выработках отсутствуют [1].

Объектом исследований явилось золоторудное месторождение “Бадран” в Якутии. Площадь месторождения ограничивается географическими координатами: 64°12'–64°14' С.Ш., 141°29'–141°33' В.Д. Оно входит в Верхне-Индигирский рудный район Восточной Якутии. В тектоническом отношении месторождение приурочено к Эльгинскому складчато-глыбовому поднятию и контролируется зоной влияния Бадран-Эгеляхского взбросо-надвига (рис. 1). Последний может быть выделен как разлом III ранга. К северу от него наблюдаются Балханайский разлом и Право-Облачненская зона разрывов; к югу – примыкающая к нему Халбалох-Кенгнейская зона разрывов, далее Средне-Эгеляхский и Кенгней-Танинский взбросы, которые также соответствуют разломам III ранга. К югу от Адычанского антиклинория располагается Сунтаро-Лабынкырское поднятие, восточнее которого выделяется самостоятельный Верхне-Индигирский синклинорий, сложенный породами триаса и юры, смятыми в систему линейных складок. Протяженность его в северо-западном направлении 500 км при ширине до 50 км.

В районе Бадранского рудного узла отмечены следующие структурные элементы: Талалахский антиклинорий; I – Мугурдахский синклинорий; II – Селериканский антиклинорий; III – Талалахмулканская антиклиналь; IV – Тумаринская антиклиналь.

Структурно-геологические работы, выполненные на территории сейсмического пояса Черского, детальное дешифрирование космических снимков позволили реконструировать и восстановить позднекайнозойское поле тектонических напряжений и направление главных напряжений [2]. Картина траекторий действия тектонических напряжений сжатия региона отражает сложный процесс, вызванный взаимодействием двух литосферных плит в субширотном направлении. Направление регионального сжатия колеблется от северо-восточного в южной части региона до близширотного к северо-западу. Азимут оси регионального сжатия для географических координат месторождения "Бадран", в среднем, составляет 4010 (ЮЗ–СВ).

Величину напряжений на контуре выработки, действующих перпендикулярно к плоскости щели, определяли по зависимости, полученной на основе решения пространственной задачи теории упругости для круглой в плане щели с учетом методики УрО РАН [3, 4]:

где – деформация массива между точками и после образования щели; – начальное и конечное показания индикатора; , – модуль упругости и коэффициент Пуассона породы с учетом ее ползучести, соответственно; – радиус щели; – расстояние между точками и (центрами реперов); – коэффициенты концентрации напряжений в направлениях перпендикулярно и параллельно щели, соответственно [4].

Ползучесть многолетнемерзлых пород можно описать соотношениями известными в наследственной теории упругости с ядром типа Абеля:



Параметры ползучести, полученные ИГДС СО РАН в шахтных условиях, например, для многолетнемерзлых пород Кулара имеют следующие значения: = 0.72; = 0.0245 с^-1. Для решения задачи деформирования вмещающего массива при неизменных граничных условиях применим метод переменных модулей [5], позволяющий свести задачу ползучести к упругой, в которой характеристики материала , заменяются функциями времени:

где — функция ползучести, имеющая вид (2).

Если в горизонтальных горных выработках по простиранию рудных зон (штреки) при ограниченной площадной обнаженности висячего бока рудной зоны породы кровли достаточно устойчивы, то проходка горных выработок по падению горных тел (уклоны, восстающие, очистные камеры), связанная с обнажением кровли на значительных площадях, приводит к их неустойчивости. Положение осложняется колебаниями температурного режима в горных выработках. Временное растепление с оттаиванием и вторичным промерзанием трещинных вод сопряжено с растрескиванием и отслаиванием пород. Постепенное снижение устойчивости горных пород ожидается также по мере приближения к подмерзлотной зоне [6].

Физико-механических свойства литологических разностей горных пород верхних горизонтов месторождения (выше гор. 940 м) представлены в табл. 1.

На рис. 2 изображен план экспериментального участка, который располагался в рудном столбе № 1 зоны "Надвиговой" на горизонте 840 м, орты 18010 и 18011 вблизи уклона № 14. Направление осей и было выбрано вкрест простирания и по простиранию рудного тела, соответственно, причем ось сориентирована близко к направлению регионального сжатия.

ТАБЛИЦА 1. Механические свойства горных пород рудного месторождения "Бадран".

№ п/п	Порода	Объемный вес, , кН/м3	Модуль упругости, , ГПа	Коэффициент Пуассона,	Предел прочности на сжатие , МПа	Предел прочности на растяжение , МПа	Сопротивление сдвигу, , МПа	Угол внутреннего трения, , град	Сцепление, , МПа
1	Песчаник	26.5	43.0	0.15	162.0	8.1	16.0	30.0	32.0
2	Алевролит	22.0	12.0	0.20	115	7.2	10.3	30.0	10.3
3	Милонит	27.0	25.0	0.15	45.0	2.8	3.2	26.0	6.5
4	Кварц	27.0	25.0	0.15	94.0	5.9	14.4	29.0	10.3

Установленные параметры поля естественных напряжений на месторождении “Бадран” позволяют объяснить процессы деформирования и разрушения горных пород, наблюдаемые в горных выработках. Наиболее убедительно это можно проиллюстрировать анализом образования линзовидных тел в выработках, имеющих различное направление.

Основной объём в рудной зоне “Надвиговой” месторождения “Бадран” занимают рассланцованные, развальцованные и милонитизированные породы со стержневой кварцевой жилой (кварцевым телом мощностью от 1 до 4–5 м) в пределах рудного столба и с прожилковым окварцеванием в остальной части (за пределами рудного столба). Зона над кварцевым телом мощностью от 1.5 до 3.5–6.0 м характеризуется большим количеством тектонических трещин, располагающихся по падению рудной зоны (в целом параллельно ее контакту), залеченных кварцем, гипсом, эпсомитом и льдом (на верхних горизонтах). Трещины делят эту зону на отдельные линзовидные тела размером от 2–3 до 5–7 м по ширине, от 5–7 до 10–15 м длиной и мощностью от 0.5–1.5 до 3.0–4.5 м. Линзы располагаются длинной осью по падению зоны. В связи с этим устойчивость выработок, находящихся в пределах рудной зоны, различна:

– в горизонтальных выработках, направленных по простиранию рудного тела, кровля относится к среднеустойчивому и устойчивому классам в зависимости от ширины выработки, частоты появления и размеров линзовидных тел (шатров);

– в выработках, располагающихся по падению рудной зоны, в связи с повышенной частотой появления линзовидных тел (шатров), длинная ось которых ориентирована, в основном, по азимуту от 355 до 65, кровля относится к малоустойчивому и устойчивому классам. Последнее обусловлено действием повышенного горизонтального тектонического напряжения, в основном, в направлении ЮЗСВ, что установлено в экспериментах.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 01-05-96218.

1. 
   Леонтьев А.В. Анализ естественных напряжений по результатам измерений в рудниках на территории Северной Евразии // ФТПРПИ. – 2001. – № 1.
   
2. 
   Имаев В.С., Имаева Л.П., Козьмин Б.М. Активные разломы и сейсмотектоника Восточной Якутии. – Якутск: ЯНЦ СО РАН СССР, 1990.
   
3. 
   Снеддон И. Преобразования Фурье. – М.: ИЛ, 1955.
   
4. 
   Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. – М.: Недра, 1994.
   
5. 
   Амусин Б.З., Линьков А.М. Об использовании переменных модулей для решения одного класса задач линейно-наследственной ползучести // Изв. АН СССР. МТТ. – 1974. – № 6.
   
6. 
   Необутов Г.П., Гринев В.Г. Разработка рудных месторождений с использованием замораживаемой закладки в условиях многолетней мерзлоты // Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1997.