ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2013, № 5, с. 454-458
УДК 551.4; 662.011
О ПОСТТЕХНОГЕННЫХ НАРУШЕНИЯХ В МАССИВЕ ГОРНЫХ
ПОРОД
© 2013 г. В.Л. Ильченко*, С.Г. Медведева**
* Геологический институт Кольского научного центра РАН, ул. Ферсмана, 14, Апатиты, Мурманской обл., 184209 Россия. E-mail: vadim@geoksc.apatity.ru ** Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, геологический факультет, Ленинские горы, Москва, 119991 Россия. E-mail: twelanis@mail.ru
Поступила в редакцию 15.05.2012 г.
После исправления 25.03.2013 г.
С позиций волновой геодинамики рассмотрено развитие системы посттехногенных нарушений в массиве от горной выработки на большой глубине до провалов земной поверхности, спровоцированных явлением пошаговой зональной дезинтеграции массива горных пород вокруг глубоких выработок. Установлено, что это явление в значительной степени обусловлено влиянием стоячих волн, инициированных колебаниями на контуре горной выработки, и что устойчивость массива к разрушению во многом зависит от конфигурации этого контура. К техногенным горным выработкам относятся подземные хранилища опасных веществ (могильники), рассчитанные на весьма длительные сроки эксплуатации, что предполагает огромный запас прочности и устойчивости этих объектов перед любыми внешними воздействиями, тысячекратно превышающий достоинства египетских пирамид. Обеспечить подобные условия можно путем проектирования могильников такой конфигурации, которая бы исключала возможность возникновения стоячих волн на их контурах.
Ключевые слова: провалы, зональная дезинтеграция горных пород, контур горной выработки, стоячие волны, могильники.
ВВЕДЕНИЕ
Всем известно, что техногенное вмешательство в природные экосистемы способно внезапно менять эколого-геодинамические свойства земной коры. Влияние техногенных факторов на экзогенные и эндогенные геологические процессы часто заканчивается катастрофическими последствиями [1]. Самое агрессивное комплексное давление на окружающую среду оказывает горное производство, приводящее к нарушению равновесия в пространственно-временных соотношениях геологических процессов и изменениям напряженно-деформированного состояния верхних горизонтов литосферы. Большинство месторождений полезных ископаемых (которые извлекаются, в том числе и закрытым способом) приурочено к тектонически нестабильным геодинамическим зонам, характеризующимся раздробленностью пород, что способствует активизации природных и появлению новых техногенных геологических процессов [9]. К порождениям техногенеза относятся: оседание земной поверхности (с разрывом сплошности и без нее), горные удары, провалы (а в условиях вечной мерзлоты - провальные озера
и наледи), осушение и подтопление горнопромышленных территорий. Например, в Западном Донбассе по мере разработки продуктивной толщи, залегающей на глубинах до 100 м закрытым способом без закладки выработанного пространства, участки с глубиной оседания 5-7 м охватили площадь более 20 км2, а оседание на 3-5 м отмечено на территории 110 км2 [5]. Примеров такого рода множество (в том числе с более серьезными последствиями), и количество их растет. В общем, явление техногенной "провальной" тектоники на сегодняшний день приближается к статусу стихийного бедствия, а его природа нуждается в самом пристальном и всестороннем изучении. Вопрос о местах и способах захоронения радиоактивных и ядовитых отходов производства [6] имеет прямое отношение к означенной проблеме.
В ходе 1-й Китайско-Российской научной конференции "Нелинейные геомеханико-геоди-намические процессы при отработке полезных ископаемых на больших глубинах", помимо прочего, обсуждалось открытие российских ученых в области нелинейной геомеханики - "явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг
подземных выработок (открытие СССР № 400, авт.: Е.И.Шемякин, М.В.Курленя, В.Н.Опарин, А.П.Тапсиев и др.). Сущность явления состоит в том, что массив горных пород вокруг подземных выработок на больших глубинах разрушается зонально, причём сначала образуется зона разрушения непосредственно на контуре выработки, затем возникает 2-я зона трещиноватости, отстоящая от 1-й на определенное расстояние. Здесь трещины также ориентированы по контуру выработки. Затем так же "квантообразно" образуются другие зоны разрушения. Эта зональность дезинтеграции массива горных пород имеет упорядоченный характер, причем средние значения радиусов и ширина зон разрушения вокруг горной выработки образуют последовательность, описываемую геометрической прогрессией с основанием 42. Анализ этого явления приводит к заключению о том, что закономерность пространственного размещения нарушенных зон в окрестностях горных выработок возникает благодаря квантованному распределению геомеханической энергии с коэффициентом подобия в виде (У2)п, где п - целые числа [8].
В настоящее время дискуссии по поводу этого "эффекта квантования" продолжаются. Адекватная физическая модель, как и теория явления, не созданы, и ни одна из гипотез о его природе (которые были предложены) также пока не верифицирована [11].
В представляемой работе механизм образования провалов земной поверхности вследствие развития зональной дезинтеграции пород в окрестностях горных выработок объясняется с позиций волновой геодинамики.
ЯВЛЕНИЕ ЗОНАЛЬНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ
Обсуждаемое явление обладает признаками пространственной упорядоченности, в описание которой входит степенной коэффициент подобия (У2)п (степенная зависимость - явный признак систем с самоорганизованной критичностью [7]) и закономерное целочисленное (квантованное) распределение геомеханической энергии [8], что служит обоснованием попытки объяснения его природы с позиций волновой геодинамики. В период 2000-2002 гг. в Геологическом институте Кольского НЦ РАН была проведена экспериментальная работа, цель которой, помимо прочего, заключалась в выяснении того, как происходит разрушение объема горной породы, находящегося под воздействием поля стоячих волн [4]. Эксперимент проводился следующим образом (рис. 1).
Рис. 1. Разрушение образцов под воздействием стоячей волны: а - схема эксперимента: 1 - источник ультразвука, 2 - плиты пресса, 3 - образец; б - характер разрушения образцов: 1 - вид сбоку, 2 - вид сверху.
К образцам осадочных пород кубической формы, помещаемым между плитами пресса, присоединялся источник ультразвуковых колебаний (частота 1.25 МГц, длина волны 3 мм).
Размеры образцов (в направлении озвучивания) строго контролировались таким образом, чтобы бегущие волны в них могли трансформироваться в стоячие: расстояние в направлении озвучивания между гранями кубика горной породы выдерживалось кратным числу длин полуволн. После запуска источника колебаний в прессе нагнетали давление, которое доводили до начальной стадии разрушения образца (появления первых трещин). Контрольная группа аналогичных образцов разрушалась без озвучивания. В результате было установлено, что комбинированное воздействие (давление + колебательный режим поля стоячих волн) приводит к разрушению образцов с расслоением их на множество поверхностей конусовидной формы, наподобие структуры "сопе-т-сопе" - вложенных конусов, толщиной (черепков) около 1.5 мм (длина озвучивающей эксперимент стоячей волны). Разрушение контрольной группы образцов проходило по "обычному" сценарию: с заложением системы трещин: от субвертикальных (близких к направлению прилагаемой нагрузки) до наклонных (< 45о к оси нагружения). В итоге был сделан вывод, что стоячие волны могут контролировать процесс разрушения. После установления в образце поля стоячих волн порода в каждой узловой точке озвучиваемого объема превращается в компактный концентратор избыточных напряжений, в котором процессы разрушения начинаются до того, как давление между плитами пресса достигнет предела прочности породы. Разрушение происходит по поверхностям, секущим множество таких точек [4].
Теперь рассмотрим зональную дезинтеграцию горных пород вокруг подземных выработок.
456
ИЛЬЧЕНКО, МЕДВЕДЕВА
(--1 > -
^см
>---А
Рис. 2. Квадратная модель системы осцилляторов. Такая система не будет стабильной из-за присутствия в ней пары диполей с нецелочисленными (диагональными) связями (из
[3]).
По данным экспериментальных и теоретических исследований, приведённых в "Ритмодинамике" Ю.Н. Иванова [3], известно, что идеально устойчивых волновых систем с минимальными размерами может быть только три вида: два осциллятора и стоячая волна между ними; три осциллятора, образующие равносторонний треугольник с длиной стороны, равной стоячей волне, и, наконец, четыре осциллятора в виде равностороннего тетраэдра с длиной ребра, равной длине стоячей волны. Остальные геометрические фигуры, связанные стоячими волнами, имеют перекрестные нецелочисленные связи в виде тех же стоячих волн. "Нецелочисленные" стоячие волны уменьшают устойчивость систем, т.е. делают систему менее стабильной.
Как показано на рис. 2, в квадрате с длиной стороны Аст = 1 длина диагонали будет = . Это значение (У2) (входит в описание размера диагонали контура идеальной горной выработки (шахты, штольни и др.) квадратного сечения и вытекает из теоремы Пифагора для прямоугольного треугольника (а2 + Ь2 = с2, при а = Ь = 1, с = 1).
Как сказано в [8], средние значения радиусов и ширина зон разрушения вследствие зональной дезинтеграции массива горных пород вокруг контура выработки образуют ряд, определяемый геометрической прогрессией с основанием (У2)п. Поэтому сразу возникает предположение, что эта периодичность обусловлена отсутствием устойчивости в системе осцилляторов с "квадратной" конфигурацией.
Из работ А.Г. Гликмана "Физика и практика спектральной сейсморазведки" [10 и др.] известно, что все геологические объекты (и литосферу в целом) следует рассматривать как колебательные системы, в которых могут возникать и взаимодействовать стоячие волны. Конфигурация колебательной системы и количество стоячих волн в
ней зависят от формы колеблющегося объекта. Например, при возбуждении колебаний в теле цилиндрической формы (пьезокерамический диск) возникает си
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.