Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
ЮШКИН Владимир Федорович
РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ ВИБРОДЕФОРМАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ БЛОЧНО-ИЕРАРХИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ
Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Новосибирск 2009
Работа выполнена в Учреждении Российской Академии наук Институте горного дела Сибирского отделения РАН
Научный консультант: член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор Опарин Виктор Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Миренков Валерий Егорович доктор технических наук, профессор Рассказов Игорь Юрьевич доктор геолого-минералогических наук Селезнев Виктор Сергеевич
Ведущая организация: Московский государственный горный университет
Защита состоится 1 октября 2009 г. в 11 час. на заседании специализированного диссертационного совета Д003.019.01 в Институте горного дела СО РАН по адресу: 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела СО РАН
Автореферат разослан 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Попов Н.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Мировое освоение недр Земли ведется по многим направлениям с привлечением различных методов научного познания.
В настоящее время активно разрабатывается теория блочного строения геосред, позволяющая объяснить широкий круг природных явлений, наблюдаемых в земной коре как на региональном уровне, так и в глобальном масштабе.
Развитие концепции блочно-иерархического строения горных массивов (М.А. Садовский и др.) в теоретическом и практическом плане открывает дорогу новым перспективным геотехнологиям безопасного освоения недр Земли, обеспечиваемым развитием новых мониторинговых систем контроля и прогнозирования горных ударов, техногенных землетрясений и других катастрофических форм проявления горного давления. Это особенно актуально в свете доминирующей ныне тенденции перехода ведения горных работ на подземные горизонты глубиной до 1.5 км и более.
Для реализации современных идей в решении задач построения систем активного геомеханического мониторинга, основанных на открытиях и достижениях нелинейной геомеханики, в пределах рудников и шахт нашей страны необходимо создавать новые методы, измерительные приборные комплексы и технические средства контроля поведения структурированных геосред на базе совместной регистрации и обработки сейсмических и деформационных волн в напряженных массивах горных пород блочно-иерархической структуры от источников искусственного или естественного происхождения. В этом аспекте большие перспективы связываются с разработкой уникальных комплексов приборов и оборудования для лабораторных и натурных исследований нелинейных деформационно-волновых процессов в блочных массивах горных пород, а также с созданием специализированных виброисточников, обеспечивающих излучение управляемых по энергетическому и частотному спектру упругих волн.
Цель диссертационной работы заключается в разработке экспериментально-теоретических основ и создании измерительных приборнотехнических средств, направленных на построение систем активного мониторинга геомеханического состояния и контроля критических уровней напряженности породных массивов блочно-иерархического строения по характеристикам деформирования и параметрам управляемых виброволновых сигналов.
Идея работы. На основе использования современных достижений в области нелинейной геомеханики и с учетом блочно-иерархического строения массивов горных пород и геоматериалов создать методические основы, контрольно-измерительные комплексы и приборы, а также технические средства для реализации нового класса мониторинговых систем геомеханического состояния породных массивов с применением управляемых виброволновых или импульсных источников.
Задачи исследований:
Ц проанализировать проблему, разработать методику и адаптировать аппаратуру геодезического наземного лазерного сканирования для установления канонических соотношений в иерархическом строении блочных геосред на основе данных линейных измерений;
Ц разработать испытательные стенды плоского и объемного нагружения моделей блочных геосред, измерители деформаций и виброакустических сигналов для лабораторных исследований деформационно-волновых процессов;
Ц исследовать процессы деформирования и распространения виброакустических сигналов от источников гармонического и импульсного типа в моделях блочных геосред при различных стадиях нагружения вплоть до разрушения и оценить возможности использования признаков критичности разрушения с позиций их применимости для активного деформационно-волнового мониторинга массивов горных пород;
Ц разработать измерительные приборные комплексы и методическое обеспечение для экспериментальных исследований деформационно-волновых процессов напряженных блочных геосред и реализации непрерывного геомеханического мониторинга в массивах горных пород;
Ц разработать экспериментально-теоретические основы создания управляемых по частоте и амплитуде дебалансных виброисточников для реализации активного вибрационного мониторинга и испытать их на грунтовых средах;
Ц провести испытания методов, приборных комплексов и технических средств как составных элементов для построения систем активного мониторинга напряженно-деформированного состояния массивов горных пород.
Методы исследований. Исследования выполнялись на основе анализа научно-технической и патентной литературы, создания современных измерительных приборных комплексов и технических средств моделирования и контроля поведения блочных геосред в условиях одноосного и плоского нагружения, мониторинга деформационно-волновых процессов в массивах горных пород на действующих карьерах, рудниках и шахтах, разработки дебалансных виброисточников для возбуждения управляемых вибросейсмических колебаний в грунтах. При решении поставленных задач использованы современные методы теории упругости, математической физики, механики горных пород, теории нелинейных колебаний, автоматического управления, численного интегрирования, спектрального анализа, лазерного сканирования, объемной триангуляции, геоинформационного картирования, теории эксперимента и физического моделирования.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Обоснована целесообразность использования новой - канонической шкалы структурно-иерархических представлений для выделения структурных элементов объектов геосреды по данным картографических измерений и адаптирован метод объемного наземного лазерного сканирования для получения размерной информации о блочном строении массивов горных пород.
2. Методологически обоснованы, разработаны и созданы технические средства плоского и объемного нагружения моделей блочных сред и приборные комплексы вибродеформационных измерений для мониторингового моделирования нелинейных свойств напряженных массивов горных пород.
3. Установлено, что разрушение моделей блочных сред и геоматериалов обусловлено развитием систем трещин, ориентированных вдоль максимальной сжимающей компоненты тензора напряжений с образованием дискретного набора зон дезинтеграции вокруг полости, при этом скоростные характеристики их распространения в блоках модели при усилиях сжатия, равных пределу прочности геоматериалов на изгиб, оценивается величинами порядка 10-8 м/с.
4. Доказано, что при постадийном нагружении модели блочной геосреды резонансные частоты акустических сигналов от управляемых гармонических источников, существенно разнящиеся между собой на начальных этапах нагружения, проявляют конвергенцию на завершающей стадии (стадии предразрушения), при этом нарушается известный закон монотонного затухания сигналов от источника излучения, а модель из геоматериалов превращается в акустически активную среду, работающую на этапе предразрушения как автоколебательная система.
5. Разработаны и испытаны компоненты многоканальных приборных комплексов деформационно-волнового мониторинга, с помощью которых в карьерах и на рудниках установлен знакопеременный характер реакции горных пород по абсолютным смещениям между геоблоками в динамике.
6. Разработаны экспериментально-теоретические основы и технические компоненты дебалансных виброисточников с электроприводом и системой согласования для возбуждения управляемых колебаний в грунтах при реализации активного геомеханического мониторинга.
Достоверность научных положений, результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается большим объемом экспериментальных лабораторных и натурных данных, полученных при проведении исследований и испытаний приборных комплексов в условиях рудника Октябрьский полиметаллических месторождений Талнаха, карьеров скальных пород Борок и Шипуновский Новосибирской области; удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов; применением современных вычислительных методов и технических средств при реализации и испытаниях элементов систем деформационно-волнового мониторинга в карьерах и подземных условиях рудников и шахт, выполнением вибросейсмических экспериментов с дебалансными виброисточниками на нефтепромыслах.
Научная новизна.
1. Доказано, что для геомеханического структурирования объектов геосреды по данным их информационного картирования целесообразно использовать новую - каноническую шкалу структурно-иерархических представлений, при этом для получения разноплановой размерной картографической информации о блочном строении массивов горных пород впервые испытан в условиях карьеров метод объемного наземного лазерного сканирования.
2. Разработаны конструкции силовых испытательных установок плоского и объемного нагружения с индивидуальным сжатием по рядам блоков для создания напряженного состояния в моделях блочных сред и созданы технические компоненты системы геомеханических измерений, обеспечивающей синхронную регистрацию сил сжатия, деформирования и виброакустических сигналов в лабораторных экспериментах с нагружениями блочных моделей.
3. На примере одномерной модели блочной геосреды экспериментально доказано, что породные массивы могут медленно разрушаться в условиях одноосного нагружения (при слабом боковом подпоре) при уровнях, на порядок меньших предела прочности горных пород на их сжатие..
4. Экспериментально на моделях блочных сред при их последовательноступенчатом нагружении показана возможность реализации активного деформационно-волнового мониторинга с применением управляемых источников гармонических сигналов, при этом впервые обнаружено проявление конвергенции частот резонансных колебаний на завершающих стадиях нагружения, схождение резонансных частот по системе блоков с усилением амплитуды упругих колебаний, нарушение закона монотонного затухания колебаний по системе блоков с расстоянием от источника гармонических сигналов.
5. Создан и испытан многоканальный приборный комплекс на основе оптоэлектронного датчика положения аналогового типа с дистанционной передачей данных для измерений продольных линейных перемещений геоблоков и определения деформаций в массиве горных пород через скважину.
6. Разработаны экспериментально-теоретические основы создания дебалансных виброисточников, позволяющие анализировать динамические режимы при выборе конструкций силовых механизмов, устройств согласования с грунтом, схем управления электроприводом дебалансов, оценивать надежность работы компонентов системы при реализации активного вибросейсмического мониторинга грунтовых сред в различных геологических условиях горнорудных предприятий.
ичный вклад автора заключается в:
Ц обосновании и применении на базе системно-технических разработок ИГД, ИУУ СО РАН и СГГА современных методов наземного лазерного сканирования и геоинформационного структурирования для описания по картографическим данным блочно-иерархического строения массивов горных пород;
Ц разработке приборно-технических средств и оборудования для стендов плоского и объемного нагружения моделей блочных сред и физическом моделировании процессов деформирования при постадийном нагружении;
Ц создании приборных комплексов для построения систем мониторинга деформационно-волновых процессов в блочных массивах горных пород на базе технических разработок КТИ НП и КТИ ПМ СО РАН;
Ц разработке методов и реализации экспериментов в условиях рудников Талнаха по проверке работоспособности в режиме геомониторинга многоканального деформометрического приборного комплекса на примере решения задач оценки влияния технологических взрывов на деформации окрестностей подземной горной выработки и реакцию пород в очаговых зонах;
Ц разработке теоретических основ и экспериментальных методов создания управляемых дебалансных виброисточников и средств согласования для реализации активного вибрационного мониторинга грунтовых сред;
Ц формировании цели и задач исследований, методическом обеспечении, техническом построении и испытании элементов систем геомеханического мониторинга в условиях карьеров и вибросейсмических полигонов.
Практическая ценность работы:
Ц методы наземного лазерного сканирования и канонического структурирования использованы для описания блочно-иерархического строения бортов карьеров Борок и Шипуновский Новосибирской области и геологических разломов Анжеро-Судженского экономического района Кузбасса;
Ц силовые испытательные установки плоского нагружения моделей блочных сред использованы в лабораторных экспериментах для изучения нелинейных геомеханических процессов в напряженных геосредах;
Ц приборные комплексы деформационно-волновых измерений изготовлены и адаптированы к создаваемой ныне опытной системе сейсмодеформационного мониторинга на рудниках ОАО ГМК Норильский никель;
Ц результаты теоретических исследований использованы в практике создания и испытаний дебалансных виброисточников в рамках Государственных Программ Вибрационное просвечивание Земли и Вибронефть.
Реализация работы в промышленности. Компоненты приборных комплексов деформационных измерений вошли в реализуемый ныне проект мониторинговой системы деформационного контроля удароопасности массивов горных пород рудников ОАО ГМК Норильский никель. Методы создания дебалансных виброисточников использовались для осуществления проблемных исследований по Государственным программам Вибрационное просвечивание Земли и Вибронефть.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах Института Механобр (Ленинград, 1989 г.);
Горного института АН Украинской ССР (Днепропетровск, 1989 г.);
ИГД СО РАН (1983Ц2009 гг.); Международных конференциях Проблемы и перспективы развития горных наук (Новосибирск, 2004 г.), Геодинамика и напряженное состояние недр Земли (Новосибирск, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 гг.), Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды (Новосибирск, 2006, 2008 гг.); Международном симпозиуме РоссияЦ ТайваньЦ2007 (Тайбэй, 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 печатных работ, из них 35 в соавторстве, включая 1 монографию, 2 патента РФ на изобретение.
Диссертационные исследования выполнялись при проведении научных работ в период с 1982 по 2009 гг. в соответствии с планами НИР Института горного дела СО РАН, программы Вибрационное просвечивание Земли (Постановление ГКНТ, Госплана, Президиума АН, Госстроя СССР № 72/54/31/4 от 20.03.81 г.); комплексной научно-технической программы Вибронефть (Постановление ГКНТ СССР № 555 от 30.10.85 г.); хозяйственных договоров по НИОКР с ОАО ГМК Норильский никель (х/д №№ 05-20, 37220, 373-20, 863-20); программы Президиума РАН № 16 (проекты №№ 3 и 8);
интеграционных проектов РАН (№ 13.13, 16.3, 16.8) и СО РАН (№ 134, междисциплинарные №№ 74, 93, 129, автор - ученый секретарь; комплексные №№ 61, 73, 6.18); грантов Российского фонда фундаментальных исследований (проекты №№ 96-05-66052-а, 99-05-64637-а, 00-05-72043-и, 01-05-65062-а, 01-05-65463-а, 02-05-64837-а, 03-05-79156-к, 04-05-08069-офи_а, 04-05-65332а, 06-05-08052-офи, 08-05-00509-а, 08-05-07056-д, 09-05-00793-а, 09-05-07091д; автор - ответственный исполнитель), грантов экспедиций СО РАН за 2001Ц 2009 гг., грантов Приборной Комиссии СО РАН за 2004, 2007 и 2009 гг.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав и заключения, содержит 375 страниц машинописного текста, включая 160 рисунок, 36 таблиц, список литературы из 257 наименований.
Основной объем исследований выполнен в лабораториях виброимпульсных систем и горной геофизики Института горного дела СО РАН, на рудниках Октябрьский и Таймырский ОАО ГМК Норильский никель, карьерах Борок и Шипуновский Новосибирской области.
Автор выражает признательность и приносит благодарность за консультации и большую помощь в работе на докторской диссертацией членукорреспонденту РАН В.Н. Опарину, д.ф.-м.н., профессору В.М. Жигалкину, к.т.н. А.К. Поташникову, д.ф.-м.н. Е.Н. Шеру, коллегам по работе, сотрудникам подразделений Института горного дела СО РАН, специалистам КТИ научного приборостроения и КТИ прикладной микроэлектроники СО РАН, Геофизической службы СО РАН, Сибирской государственной геодезической Академии, ГМОИЦ, ГГУ и сейсмостанции Норильск ОАО ГМК Норильский никель, карьеров Борок и Шипуновский Новосибирской области.
Автор чтит память своего учителя д.т.н. профессора Н.П. Ряшенцева.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе выполнен анализ отечественного и зарубежного опыта исследований и разработок, касающийся блочного строения породных массивов, форм динамических проявлений горного давления, деформирования и разрушения пород, создания измерительных приборных комплексов и технических средств диагностики и контроля критических состояний геосред, разработки вибросейсмических методов мониторинга в горном деле. Изучению проблем, связанных с переходом на большие глубины ведения горных работ, выяснению причин и механизмов динамических форм проявлений горного давления, обеспечению безопасности горных работ большое внимание уделяли М.А. Садовский, С.А. Христианович, И.А. Турчанинов, Д.М. Бронников, И.Т. Айтматов, С.В. Кузнецов, Г.Л. Фисенко, К.Н. Трубецкой, Е.И. Шемякин, М.В. Курленя, Н.В. Мельников, Н.Н. Мельников, В.Н. Опарин и др.
Крупный вклад в развитие современных представлений о природе и механизмах проявлений катастрофических событий в недрах земли, связанных с переходом породных массивов в предельные напряженные состояния, а также реакции горных пород на виброволновые и взрывные воздействия, сделан экспериментально-теоретическими разработками ИФЗ РАН им. О.Ю. Шмидта, ВНИМИ, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, ИПКОН РАН, ИНГГ им. А.А. Трофимука, ИГД СО РАН, ГС СО РАН, ГоИ КНЦ РАН, МГГУ, С-ПбГУ, КузГТУ, НИГРИ, ИГД УрО РАН, ГИ УрО РАН, ТГПУ, ИГД им. А.А. Скочинского, ИГД ДВО РАН, ИГДС СО РАН, УкрНИМИ НАН Украины, ИГД им. Д.А. Кунаева НАН Казахстана, ИФ и МГП НАН Киргизии, Денверском ГНИЦ ГБ (США), КБФИ (Венгрия), ГИГД (Польша) и др.
Важная роль в этих исследованиях принадлежит геомеханическим и геофизическим методам, развитию экспериментально-теоретических основ которых применительно к решению задач геомеханики в горном деле, реализации геомониторинга для обеспечения контроля и прогноза критических проявлений горного давления в массивах горных пород способствовали работы И.Т. Айтматова, М.С. Анцыферова, Е.С. Ватолина, А.И. Берона, П.В. Егорова, М.П. Воларовича, В.В. Иванова, А.А. Козырева, В.С. Куксенко, М.В. Курлени, В.Е. Миренкова, В.И. Мячкина, В.Н. Опарина, И.М. Петухова, Г.А. Соболева, И.Ю. Рассказова, В.В. Ржевского, Ю.В. Ризниченко, И.А. Турчанинова, А.Д. Рубана, Б.Г. Тарасова, В.Л. Шкуратника, В.С. Ямщикова и др.
В современных условиях, когда большое развитие получили сейсмические методы, достигнутые на их основе результаты привели к необходимости создания новых, основанных на регистрации деформационных изменений в горных породах, приборных комплексов контроля и диагностики напряженнодеформированных состояний породных массивов, опасных по горным ударам.
Разработка стационарных и мобильных измерительных комплексов контроля динамических проявлений горного давления позволяет синтезировать на их основе новые системы геомеханического мониторинга. Это, в свою очередь, обусловило необходимость установить прогностические признаки и выработать научно обоснованные критерии структурно-иерархической систематизации и паспортизации объектов геосреды.
Разработка стендов для экспериментов с моделями блочных геосред является актуальной проблемой в плане модельного изучения геомеханических свойств блочных геосред, отработки принципов построения новых систем деформационного и активного вибросейсмического мониторинга горных массивов, их тестирования. Примеры использования в технике и машиностроении систем диагностического мониторинга показывают, что реализация управляемого вибродеформационного мониторинга породных пластов и опорных целиков на рудниках и в шахтах позволит диагностировать и выявлять предвестники техногенных разрушений в горном массиве на ранних этапах их развития.
В геофизике, геомеханике, горном деле при добыче полезных ископаемых важное место занимает вибрационная техника. Применение вибрационной техники позволяет совершенствовать традиционные и создавать принципиально новые методы изучения земных недр, развивать современные технологии их освоения. Проблеме разработки вибросейсмических источников импульсного и синусоидального типа, исследования закономерностей распространения генерируемых колебаний в грунтах, применения для решения задач вибрационного просвечивания Земли посвящены работы А.С. Алексеева, В.А. Бабешко, В.В. Ивашина, В.Ф. Кулакова, А.В. Николаева, Н.П. Ряшенцева, И.С. Чичинина, Б.Ф. Симонова, А.С. Шагинян, В.И. Юшина, В.С. Селезнева, Е.Н. Чередникова, Н.И. Гезы и др. Однако вопросы создания и применения управляемых дебалансных виброисточников в горном деле для геомеханического мониторинга практически не рассматривались, несмотря на получение обнадеживающих результатов в геофизике.
На основе проведенного анализа отмечена актуальность разработки новых методов и экспериментально-теоретических основ создания элементов систем активного вибродеформационного мониторинга в горном деле, включающих измерительно-технические средства контроля критических стадий деформирования блочных массивов горных пород по записям сигналов управляемого вибросейсмического излучения и деформационных волновых пакетов, спектрально-временная структура которых тесно связана с напряженностью пород, сформулированы цели и задачи диссертационных исследований.
Вторая глава - структурно-иерархическое строение объектов геосреды - посвящена разработке экспериментально-методологических основ количественного описания и определения канонических соотношений блочноиерархического строения массивов горных пород по данным разноплановой размерной картографической информации на примере наземного трехмерного лазерного сканирования карьеров Новосибирской области и структурирования геологических разломов по картам Кузбасса.
На основе анализа статистических данных о линейных замерах гранитно-метаморфических массивов в карьерах Борок и Шипуновский Новосибирской области (НСО) и данных геоинформационной системы ИУУ СО РАН на основе карт Кузбасса установлено, что при обработке экспериментальной, в том числе картографической информации, количественном описании блочноиерархического строения массивов горных пород наиболее удобной и естественной является полу- или билогарифмическая шкала с основанием (A log A log x; A = (x), где A и x - некоторые нормированные x 2 специальным образом f-функционально связанные величины). Обоснованы рекомендации по выбору размеров базы осреднения и шага дискретизации экспериментальных данных для графического представления и компьютерного анализа, а также в сглаживающих операциях по методу скользящего окна.
Для количественного описания блочно-иерархического строения массивов горных пород с помощью линейных замеров необходимо определять характерные размеры блоков i в пунктах наблюдения. Формирование массива данных производится для произвольной выборки блоков. Упорядоченные данные представляются в табличной форме или графическом виде в координатах линейный размер блока - частота (количество) измерений по всем измеренным значениям. Вводится операция выделения блоков с заданной погрешi 2 ностью их линейных размеров, канонически сопряженных по, где i = 1, 2, 3,Е - показатель степенного ряда.
Для расширения представлений о блочном строении массива горных пород с количественных позиций структурирования крупных объектов геологической среды, паспортизации и включения их в геоинформационный анализ, предложен и в условиях карьера Шипуновский опробован новый метод получения объемной цифровой модели поверхности его борта с помощью трехмерного наземного лазерного сканирования. В основу метода положен принцип безотражательного измерения расстояний при помощи лазера, работающего в импульсном или фазовом режиме. Для получения полной точечной модели поверхности объекта и исключения теневых зон на пути прохождения лазерного луча, сканирование выполняют с разных мест - станций установки прибора (рис. 1). При объединении результатов измерений с двух и более станций увеличивается плотность массива точек за счет перекрытия сканов.
Получаемая в результате фотореалистичная объемная картографическая модель борта карьера позволяет выполнить линейные и угловые промеры геоблоков массива с необходимым уровнем точности и детализации.
а б Рис. 1. Схема расположения сканерных станций в плане а и на объекте б при трехмерной съемке поверхности вертикального борта карьера с помощью сканера Riegl LMS-Z420i для создания его объемной цифровой модели, выполнения линейных и угловых промеров Преимущества данного метода (дистанционное измерение разномасштабных геологических объектов, высокие скорость, точность и полнота получения реальных линейных и угловых размеров, возможность камеральной обработки информации в лабораторных условиях) позволяют рассматривать технологию трехмерного наземного лазерного сканирования в части расширения круга геомеханических задач по структурированию массивов горных пород, решаемых с использованием геоинформационных систем и картографии, весьма перспективной в горном деле.
К настоящему времени опубликован весьма представительный объем материалов, отражающих геологическую картину угленосных отложений Кузбасса. Эти, в основном, фактографические и картографические материалы достаточно хорошо организованы и систематизированы в ИУУ СО РАН, однако содержащаяся здесь разноплановая информация не дает целостного и наглядного представления о состоянии геологической среды с количественных позиций канонического структурирования. Создание геоинформационной системы (ГИС) для Кузбасса - актуальная задача с позиций рационального использования недр, а каноническое структурирование - один из важных шагов в этом направлении.
С созданием ГИС достигается существенный прогресс в развитии научно-методических основ составления специализированных карт и карт прогноза, в том числе - техногенных катастроф, в связи с обобщением новых материалов, получаемых в результате расширения геолого-разведочных работ. В зоне Кузнецкого бассейна в конце палеозоя и в мезозое в результате тектонических движений образовались пликативные, дизъюнктивные и инъективные нарушения геоструктуры, представленные в картографической проекции ГИСпроекта линейными объектами различной протяженности. Многие из разрывных нарушений проявляются или четко выражены в наличии пространственных разрывов и сдвигов угольных пластов, а также и в сочленении разнотипных геоструктурных элементов, часть из которых достигает в длину 100 км и более с разбросом амплитуд до 2 - 3 км.
Предложен новый метод количественной оценки линейных параметров блочности геосред, который применен для анализа систем тектонических нарушений и геологических разломов с использованием ГИС-данных ИУУ СО РАН по Кузбассу. В результате измерений по выбранным разломам был полуi чен массив данных, содержащий численные значения - линейных размеров геоблоков и составлена таблица-слой выходных данных Отрезки выделенной блочности с линейными графическими объектами. Выборка геоблоков в границах разломов была произвольной, однако, для набора статистических данных, измерения проводились для групп сочетающихся разломов. Ограничения касались лишь предельных расстояний между ними.
Редукция всего массива данных к максимально ограниченному числу непересекающихся их фактор-групп имеет принципиальное значение. С этим, в частности, связано решение вопроса выбора нормирующих множителей в безразмерных представлениях физических величин по осям координат. Использование именно безразмерных линейных характеристик геоструктур и сопряженных с ними амплитудно-периодных характеристик геофизических полей наиболее удобно, когда речь заходит об установлении операторов соответствия между ними. О возможности редукции обсуждаемого массива данных к ограниченному числу их фактор-групп свидетельствует рис. 2, полученный по методу скользящего среднего для окна экспозиции шириной 0.3 км и шагом сканирования 0.1 км. На графике нанесены значки , , и над ярко выраженными локальными максимумами, которые можно использовать при выборе 1старших членов канонических рядов для масштабного уровня км.
Графики на рис. 3 отражают: полимодальность кривых с четким проявлением локальных максимумов, тяготение максимумов к целочисленным отметкам оси абсцисс, а по мере увеличения размера окна экспозиции - эволюцию полимодальных кривых распределения в мономодальное. Согласно приведенным графикам, для анализируемого района Кузбасса явно выделяются геоблоки с линейными размерами в диапазонах значений 0.16 - 0.31 км, 0.62 - 1.24 км, 3.52 - 7.04 км (заштрихованные столбцы на рис. 3г) или со средними величинами порядка 235 м, 930 м и 5.3 км. Здесь же просматривается периодичность в структуре графиков: расстояние между основными локальными максимами полимодального распределения в используемой логарифмической шкале по оси абсцисс близко к четырем.
Рис. 3. Нормированное распределение Рис. 2. Нормированное распределение геоблоблоков по линейному размеру при ков по их линейным размерам при использоваиспользовании операции осреднения нии операции осреднения с окном экспозиции в безразмерной канонической шкале 0.3 км и шагом сканирования 0.1 км:
а - распределение для всего диапазона выделенс базовым членом км, 0 1.2ных линейных размеров геоблоков, б - для диапазона от 0.15 до 2.5 км, в - для размерами окна экспозиции: а - 0.5, диапазона от 2.5 до 14 км б - 1.0, в - 1.5, г - 2.0, д - 4.0 и е - 5.Таким образом, сочетание непосредственного измерения линейных размеров геоблоков разного иерархического уровня на основе объемной цифровой модели геологического объекта с предложенным методом структурирования систематизированных картографических материалов по геологическим разломам позволяет формировать значительно более представительный и широкий по диапазону линейных размеров структурных элементов информационный банк данных для использования шкалы структурно-иерархических представлений как паспортной характеристики разноуровневых геологических объектов. При этом, как показал анализ информационного банка данных о распределении геоблоков по линейным размерам от сантиметрового диапазона породных фракций и до десятка километров, в качестве оптимального норми рующего множителя для абсолютных значений линейных размеров выделяемых геоблоков можно использовать любой из членов введенного В.Н. Опариным фундаментального канонического ряда геоблоков, ассоциированного с размером диаметра жидкого ядра Земли. В этом смысле разработанная методика может использоваться, при наличии соответствующих предпосылок, и для объемного случая (например, по трем координатным плоскостям). Очевидны перспективы ее применения для анализа крупномасштабной геолого-структурной информации - на уровне поверхности земного шара.
Третья глава - стендовое оборудование для физического моделирования напряженно-деформированного состояния блочных геосред - содержит описание основных принципов создания стендового оборудования для плоского и объемного нагружения моделей блочных сред и построения измерительных приборных комплексов для модельных экспериментов.
Как показано в главе 2, массивы горных пород имеют сложную иерархическую структуру с различными по линейным размерам геоблоками и отделяющими их межблочными промежутками. При исследованиях напряженнодеформированного состояния таких массивов в окрестности подземных выработок необходимо осуществлять физическое моделирование процессов деформирования и разрушения с различным нагружением, например, на плоских моделях блочных сред с использованием эквивалентных геоматериалов.
Для задания нагрузок на такую модель необходимо создавать силовые стенды с возможностью сжатия ее структурных элементов по рядам блоков.
Предложен и разработан ряд конструкций силовых стендов для нагружения моделей блочных сред с индивидуальным сжатием по рядам блоков, что позволяет исследовать процессы деформирования структурных элементов модели при создании различных видов плоского и объемного напряженного состояния, изучать возникновение и характер распространения виброакустических сигналов по блокам модели вплоть до разрушения геоматериалов. При этом обеспечивается независимое сжатие по рядам блоков, позволяя управлять нагружением как в горизонтальном, так и вертикальном направлении.
Для реализации объемного трехосного нагружения по рядам блоков предложен и разработан стенд с дополнительной боковой секцией для поперечного сжатия вертикального сегмента блоков модели (рис. 4). Конструкция секции позволяет реализовать режимы сжатия по одному из рядов блоков с обеспечением общего нагружающего усилия, замкнутого в контуре основной силовой рамы. Проработан вариант конструкции рамы, состоящей из набора трех цельнометаллических плит. При сборке в составе рамы плиты соединяют при помощи термической стяжки болтами.
Изготовление рамы сборной конструкции из цельнометаллических секций существенно повышает ее устойчивость в местах перегиба и узлах сопряжения при двухосном сжатии и позволяет обеспечить режим нагружения модели с использованием номинальных усилий всех групп механизмов силового привода (в представленном варианте - гидроцилиндров). В секционированной раме отсутствуют шарнирные соединения конструктивных элементов, присущие сборной конструкции, что позволяет минимизировать локальные напряжения в узловых сочленениях. Это исключает дополнительное усиление рамы, существенно снижает удельную массу и габаритные размеры стенда в целом.
На основе конструкторских решений испытательной установки Instron8802 предложена и разработана структура геомеханического стенда, который предназначен для создания жесткого напряженного состояния в образцах и моделях блочных геосред по группам блоков и позволяет исследовать влияние нагружения и характера внешних динамических воздействий на процессы распространения механических колебаний, деформирование и разрушение модельных геоструктур. Силовые воздействия на модель реализуется электрогидравлическими преобразователями с клиновыми нажимными механизмами.
а б Рис. 4. Схема а и общий вид б силовой рамы стенда с боковой секцией для объемного сжатия вертикального сегмента модели:
1 - силовая рама, 2 - гидравлический цилиндр, 3 - пульт гидравлического управления, 4 - насосная станция, 5 - модель блочной среды, 6 - секция объемного нагружения Таким образом, выполнена конструкторская разработка ряда согласованных по нагрузкам силовых испытательных установок для создания плоского и объемного напряженного состояния в моделях блочных сред с индивидуальным сжатием по рядам блоков, удовлетворяющих требованиям физического моделирования нелинейных геомеханических процессов в массивах пород.
Четвертая глава - приборы для моделирования и натурных исследований деформационно-волновых процессов в блочных геосредах - посвящена созданию приборных комплексов и построению элементов систем деформационных измерений и регистрации виброакустических сигналов в лабораторных и натурных условиях. Такие комплексы необходимы для построения систем контроля деформаций в массивах пород от технологических взрывов, горных ударов и техногенных землетрясений в подземных условиях рудников.
Для измерения смещений блоков пород при малых скоростях деформирования предложены и совместно с КТИ НП и КТИ ПМ СО РАН разработаны 3 варианта позиционно-чувствительных датчиков положения индикаторного типа на основе: 1 - линейного многоэлементного фоточувствительного приемника типа ПЗС; 2 - линейного фоточувствительного приемного устройства с позиционно-зарядовой связью типа PSD и 3 - оптико-поляризационного фоточувствительного элемента из оптических материалов. Принцип работы датчиков с линейками типа ПЗС и PSD основан на определении положения светодиода, перемещаемого относительно фотоприемника. Отличие состоит в том, что в первом случае сигнал с фотоприемника снимается в дискретной форме, во втором - в аналоговом виде. Датчик МЭУ-25 на основе ПЗСлинейки (рис. 5а, б) оснащен микропроцессорной системой сбора данных, что обеспечивает его автономность при эксплуатации и позволяет реализовать схемы измерений подключением до 256 датчиков как в натурных условиях, так и при лабораторных экспериментах. На рис. 5в показана схема установки трехканальных станций глубинных реперов с датчиками МЭУ-25, предложенная для мониторинга смещений пород в кровле подземной выработки.
а в б Рис. 5. Схема а позиционно-чувствительного датчика МЭУ-25 на основе ПЗС-линейки, его общий вид б и схема установки станций глубинных реперов в на его основе в кровле подземной выработки рудника или шахты с шагом hi = 3 м по скважине.
а: 1 - шток, 2 - источник света, 3 - ПЗС-линейка, 4, 5 - управление ПЗС-линейкой и источником света, 6, 7 - вход и выход синхронизации, 8 - контроллер КЛМ1, 9 - выход USB 1.На основе датчиков положения МЭУ-25 и акселерометров предложен и разработан многоканальный приборный комплекс для деформационноволновых измерений при геомехано-геофизических экспериментах с моделями блочных сред. В его архитектуре заложены общие тенденции построения систем автоматизации эксперимента с использованием персональных компьютеров. Комплекс удовлетворяет заданным требованиям по чувствительности и быстродействию, обеспечивает функциональное развитие в плане построения измерительных систем с группированием разнотипных датчиков, в том числе акселерометров, датчиков силы и давления.
Предложена и разработана структура автоматизации геомеханических экспериментов, предназначенная для оснащения геомеханических стендов, реализованных по типу установки Instron-8802. В состав стенда входит система приборных средств измерения и компьютеров для обработки данных физических экспериментов, регистрируемых при испытаниях моделей блочных геосред, а также электродинамический вибратор с системой управления.
Функциональная схема стенда с компоновкой силовых механизмов сжатия модели, установкой датчиков на блоках модели, подключением приборов, измерительных систем, компьютеров и выходом в Internet показана на рис. 6.
Основное назначение системы - измерение параметров при исследовании моделей блочных сред на стенде, а также предварительная обработка периодических и импульсных сигналов. Частота регистрируемых сигналов может варьировать в пределах до 2104 Гц, диапазон изменения ускорений составляет 10-3Ц105 м/с2. Измерение механических колебаний осуществляется с помощью пьезоэлектрических датчиков, измерение перемещений и деформаций - с помощью тензорезисторных мостовых схем и датчиков положения оптоэлектронного типа. Информация, поступающая в подсистему регистрации данных эксперимента, сохраняется на диске сервера и доступна пользователям локальной сети. В целом система ориентирована на специалистов в области геомеханики, геофизики, горного дела и механики твердого тела.
Рис. 6. Структура системы автоматизации геомеханико-геофизического эксперимента В натурных экспериментах практическое значение приобретают методы контроля деформаций породных целиков и геоблоков в массиве горных пород с использованием скважин. С этой целью был предложен и реализован метод, основанный на измерении перемещений и определении деформаций в плоскости поперечного сечения горизонтальной скважины (рис. 7а),заключающийся в использовании измерительного зонда на основе датчика положения эллипсометрического типа (рис. 7б) с фотоупругим оптико-поляризационным чувствительным элементом. Подвижный шток такого датчика устанавливается с упором в стенку скважины и может быть ориентирован с возможностью свободного перемещения в плоскости действия максимальных сжимающих напряжений. В качестве базового расстояния при определении деформаций принимается диаметр скважины, фиксируемый в момент установки зонда.
Контроль напряженного состояния в блочных массивах горных пород на основе регистрации деформирования групп разгрузочных скважин при проявлениях горного давления (медленные смещения при растрескивании, заколобразовании, горных ударах, обрушении пород и т. д.) в условиях рудников и шахт осуществляется для оценки эффективности применяемых защитных мероприятий по разгрузке разрабатываемого массива, обеспечения безопасности ведения горных работ, выбора рациональных схем добычи полезных ископаемых. Для мониторинга смещений породных толщ через поперечное деформирование разгрузочных скважин в подземных условиях рудников на основе датчика эллипсометрического типа предложена и разработана тензометрическая станция контроля деформаций на 8 каналов, схема расстановки датчиков которой и подключения к компьютеру по линии связи показана на рис. 7в.
а в б Рис. 7. Схема измерения поперечных деформаций скважины а, общий вид измерительного зонда с датчиком эллипсометрического типа в скважине б, схема установки измерительных зондов для мониторинга поперечных деформаций разгрузочных скважин диаметром 110 мм в Для предотвращения горных ударов на рудниках необходим контроль структурных изменений пород под влиянием горных работ, сдвижений породных толщ и деформаций в массиве в горизонтальном направлении. Такой контроль построен на непрерывных измерениях продольных перемещений геоблоков через скважину, что требует передачи данных от датчиков по линии связи в компьютер. На основе фотоприемной линейки типа PSD разработан датчик положения и аппаратно совмещенные устройства для многоканальных измерений параметров деформирования. Система функционально разделена на две части: наземную и подземную, которые соединены линией передачи данных. Подземная часть содержит: зонд в составе базовой опоры, измерительной продольной штанги и комплекта из 4-х последовательно установленных измерительных модулей с подвижными опорами (рис. 8а,б,в); устройство аналого-цифрового преобразования данных; модем; линию связи; автономный блок питания (рис. 8г). В состав наземной части входят компьютер и модем.
Схему расстановки датчиков для измерения перемещений поясняет рис. 8г. В массиве бурят горизонтальную скважину, которая пересекает геоблоки пород С1 - Сi, образованные трещинами или зонами дезинтеграции, и заглубляются в неразрушенную часть массива Сn. В скважине устанавливается зонд для измерения деформаций. Базовая опора зонда крепится в забое скважины. Датчики измерительных модулей закрепляются в контрольных точках геоблоков С1 - Сi. Смещения геоблоков относительно базовой опоры регистрируются датчиками, данные поступают в контроллер преобразователя.
г а б в Рис. 8. Схема взаимного расположения светодиода и фотоприемника в корпусе датчика а, конструктивное устройство подвижной опоры с механизмом закрепления в скважине б, внешний вид датчика в сборе с механизмом закрепления и секцией измерительной штанги в, схема установки многоканального приборного комплекса при измерении перемещений геоблоков вдоль горизонтальной скважины г Таким образом, сформированы принципы создания и решены вопросы разработки функционально и конструктивно законченных аппаратных устройств на основе датчиков положения для построения систем измерений деформаций и виброакустических сигналов при геомеханических экспериментах с моделями блочных сред, а также созданы приборные комплексы для построения мониторинговых систем контроля смещений геоблоков и регистрации деформационно-волновых процессов при проявлениях горного давления в подземных условиях рудников и шахт, учитывающие специфику установки, крепления и длительной эксплуатации их в скважинах горных массивов.
Пятая глава - модельные исследования динамического поведения блочных геосред - содержит результаты лабораторных исследований на блочных моделях дезинтеграционных проявлений пород вокруг подземных выработок, сопутствующих изменений напряженно-деформированного состояния и распространения упругих волновых полей в структуре горного массива.
Как известно, в теоретических схемах, описывающих явление зональной дезинтеграции в массивах, используется гипотеза о способности к разрушению пород и геоматериалов в направлении максимальной главной сжимающей компоненты тензора напряжений. Хотя этот феномен описан для отдельных небольших по размеру образцов, до сих пор оставалось невыясненным, имеет ли это место для совокупности образцов пород или геоматериалов (блочные системы) и каково влияние уровня напряжений, приводящих к инициированию и росту во времени трещин отрыва. Попытка ответить на эти вопросы осуществлена на примере лодномерной модели блочной среды при фиксированном значении длительного по времени одноосного нагружения, значительно мень шего предела прочности геоматериала структурных элементов.
t Эксперимент проводился на модели среды из десяти блоков, уложенных между траверсами стенда вертикально в один ряд (рис. 9). Модель испытывалась в режиме одноосного сжатия без бокового подпора, что позволило имитировать действие вертикальных напряжений по аналогии с массивом горных пород. При достижении давления 3.14 МПа, равного пределу прочности модельного материала на изгиб, были отмечены визуальные признаки зарождения трещин по торцевым граням блоков. Давление было зафиксировано на данном уровне. Продолжительность эксперимента составила 3.3 месяца.
б а в г д Рис. 9. Вид контрольной трещины а, график скорости ее роста б и внешний вид Pc 3.разрушения блоков модели по граням: I - в, I и II - г, III и IV - д ( МПа) Контрольная трещина была выбрана на торцевой грани блока в момент ее образования при начальном нагружении модели. Вид трещины на заключительной стадии эксперимента представлен на рис. 9а. В дальнейшем измерялась длина трещины, определялась скорость увеличения ее длины с момента зарождения. График (рис. 9б) средней скорости V роста трещины за период наблюдений изменялся неравномерно. В ходе испытаний модели наблюдались локальные разрушения по блокам в виде образования новых трещин, шелушения, увеличения длины и расхождения берегов ранее возникших трещин, появления новых сколов (рис. 9в-д). Здесь условно можно выделить следующие зоны: сплошного разрушения с внешне беспорядочным отделением подблоков и опусканием вышележащих блоков и подблоков; разветвленных трещиноватых нарушений; сжатия с изгибом и появлением трещин на боковых гранях.
Сравнение скорости роста трещин скола (зарегистрированных при испытаниях многоканальных продольных деформометров на руднике Октябрьский) со скоростью расхождения берегов контрольной трещины в модельном эксперименте показывает, что порядок рассматриваемых величин близок (отличие примерно в 2 - 4.5 раза; и это при условии, что прочность руд и модельных блоков на одноосное сжатие отличаются примерно в таких же пропорциях). Это свидетельствует о том, что отслоение пород, наблюдаемое в подземных условиях рудников и шахт по бортам выработок, может происходить при существенно меньшем напряжении по сравнению с определяемым из отношения прочности образцов горных пород на одноосное сжатие.
В блочно построенных геосредах, можно ожидать, что вид напряженнодеформированного состояния породных массивов и амплитудно-периодные характеристики микросейсмического фона не могут не сказаться на процессах релаксации накопленной упругой энергии в структурных элементах вмещающих массивов при извлечении твердых полезных ископаемых. В этой связи вопросы о возможной согласованности формирования акустических сигналов в структурных элементах блочных сред как по частотному спектру, так и по фазовой составляющей, являются ключевыми.
В существующих подходах к анализу механизмов очаговых зон динамического проявления горного давления, как правило, пренебрегается тем обстоятельством, что квазистатические процессы накопления упругой энергии в формирующихся очаговых зонах всегда идут на акустическом фоне (от естественных микросейсмов и до сложных волновых явлений, сопровождающих импульсные сейсмические воздействия от удаленных землетрясений, взрывов или управляемых виброисточников). Поэтому возникает естественный вопрос:
что происходит, например, с регулярными по частоте, микросейсмами или акустическими волновыми пакетами в очаговых зонах разрушения пород в зависимости от уровня господствующих там напряжений.
В связи с изложенным был поставлен ряд экспериментов, в которых очаговая зона моделируется совокупностью однородных блоков с концентратором напряжений в виде цилиндрической полости (лплоская модель), а квазистатический процесс внешнего нагружения - одноосным сжатием со слабым боковым отпором. Исследования выполнялись на стенде двухосного сжатия блочной модели с использованием лабораторных приборных комплексов.
Опыты по регистрации смещений между точками измерений и резонансных колебаний контролируемых блоков осуществлялись при последовательном одноосном сжатии модельной структуры по вертикали. Вертикальное давление (нагружение) ступенчато повышалось от 0 до 11.2 МПа, боковое сжатие не производилось. Контрольные измерения акустических сигналов и деформаций выполнялись последовательно от 0 по манометру домкрата при изменении давления с шагом 1.6 МПа.
На рис. 10(а, б) представлены экспериментальные графики изменения деформационных j-характеристик и изменения амплитудных максимумов для частотных характеристик по рядам блоков, полученные на модели с горизонтальной полостью с использованием управляемого электродинамического источника гармонических колебаний в режиме реализации активного модельного мониторинга, которые свидетельствуют не только об их структурной корреляции с выделенными этапами нагружения, но и о весьма существенном фокусирующем влиянии боковых поверхностей, в частности 4-го ряда блоков (нумерация на рис. 10б сверху вниз). Здесь гармонические сигналы в зависимости от стадии нагружения затухают или усиливаются в несколько раз более интенсивно в сравнении с рядами блоков 2 и 3. Одновременно нарушается классический закон их монотонного затухания от источника излучения по рядам блоков, характерный для сплошных сред (см. рис. 11, где пунктирная прямая для сравнения соединяет амплитудные характеристики блоков 1 и 8).
По существу, речь идет о проявлении волноводных свойств структурных сред, обусловленных как возникновением упорядоченной по направлению системой трещин (моделируемых боковыми поверхностями сопряжения рядов блоков), так и видом напряженного состояния породных блоков, разделяемых этими трещинами при нагружении. Такие ситуации являются достаточно типичными для геосред с тектоническими разломами и имеют непосредственное отношение к проблеме виброволнового воздействия с поверхности Земли на глубинные слои породных массивов. Разрушения по системе блоков характеризуются послойным отделением кусков клиновидной формы с веерообразным растрескиванием и расслоением в направлении сжатия.
а б Рис. 11. Графики изменения А1-характеристик Рис. 10. Графики изменения дефоракустических сигналов по блокам модели мационных j-характеристик а на частоте собственных резонансных колебаний и графики изменения максимумов генераторного блока с удалением частотных характеристик б по ряот источника излучения (G) гармонических коледам блоков при нагружении баний при разных ступенях давления В экспериментах установлена устойчивая корреляционная связь между стадиями нагружения среды со структурой и амплитудно-частотными характеристиками гармонических сигналов, регистрируемых в блоках модели. Частоты резонансных акустических колебаний в блоках модели, существенно разнящиеся между собой на начальных этапах нагружения, проявляют конвергенцию на критической стадии нагружения. При этом имеет место не только схождение резонансных частот по системе блоков, но и усиление амплитуды гармонических сигналов за счет перехода накопленной упругой энергии структурных элементов в энергию акустических сигналов, а модель из геоматериалов превращается в акустически активную среду, работающую на этапе разрушения как автоколебательная система.
В опытах по нагружению модели из геоматериалов с вертикальной полостью и импульсными воздействиями на генераторный блок с заданной энергией удара использовалась система регистрации абсолютных смещений и деформаций породных блоков в динамическом режиме. На рис. 12а представлен график изменения начального расстояния l0 между контролируемыми точками измерения деформаций соответственно на поверхности модели (точки) и в скважине (звездочки) с увеличением силы сжатия Р для заданных ступеней нагружения 1, 2,..., 20 т (сплошные линии, параллельные оси ординат), а также график изменения расстояния l, пересчитанный в деформации = (l0 - l)/l0.
По мере увеличения нагрузки Р на испытуемую модель достаточно четко выделяются участки графиков, помеченных стрелками под осью абсцисс.
а б Рис. 12. Графики изменения расстояния между измерительными точками блочной среды l и относительной деформации при одноосном сжатии плоской модели а, изменение нормированных амплитудно-частотных характеристик для волновых пакетов б в контролируемом блоке для ступеней нагружения 1, 2,..., 20 (в) На рис. 12(а, б) представлены графики изменения структуры огибающих (Аm/А0, где А0 - максимальная амплитуда для выделяемых канонических частот волнового пакета, Аm - амплитуда для m-той составляющей частоты m fm 2 f0, f0 базовая частота канонического спектра, m = 0, 1,Е, N, N - количество канонических рядов) для несущих гармоник регистрируемых волновых пакетов по мере увеличения нагрузки Р на испытуемую модель. Ступени нагружения 1, 2,..., 20 отнесены к соответствующим им огибающим для волновых пакетов контрольного блока модели. Анализ графиков, представленных на рис. 12б, в сопоставлении с деформационными кривыми на рис. 12а показывает наличие достаточно тесной корреляционной связи их структурных особенностей с выделенными стадиями нагружения I, II,..., V. Действительно, I стадии нагружения соответствует купол для подавляющего числа несущих гармоник волновых пакетов; II - провал; III - наклонное плато; IV - провал, V Цвозрастание всех спектральных компонент несущих гармоник.
Здесь выделяются два интервала нагружения (ступени 9Ц10 и 16Ц18), для которых имеет место скачок в модальных значениях ofmax для распределения Аm/А0 с практически подобным смещением огибающих этих распределений. Так, для интервалов нагружения 9Ц10 ofmax перескакивает от значения 2 кГц к значению 4 кГц с одновременным смещением огибающей канонического спектра в высокочастотную область. Для интервала нагружения 16Цo fmax перескакивает от 4 кГц по ступеням 2.83, 2 к 1.41 кГц с одновременным смещением огибающих канонических спектров в низкочастотную область.
Таким образом, эти сравнения свидетельствует об объективности выделения стадий деформирования блочной модели при ее нагружении (IЦV) и перспективности использования акустического параметра Аm/А0 структуры огибающих для несущих гармоник канонического спектра регистрируемых волновых пакетов в режиме активного мониторинга по ступеням давления с использованием управляемых по энергии удара импульсных или по амплитуде, частоте и фазе гармонических воздействий на структуру блочной среды.
Шестая глава - натурные испытания элементов локальной системы деформационного мониторинга - посвящена вопросам испытаний скважинного варианта многоканального продольного деформометра в условиях рудника и карьера по регистрации деформирования в целиках от технологических взрывов с оценкой их последействия и изучения развития квазистатических процессов при проведении взрывных работ в забое горной выработки.
Знания о напряженно-деформированном состоянии массивов горных пород и протекающих в них геомеханических процессах имеют большое значение как для прогнозирования катастрофических форм проявления горного давления, так и для создания безопасных технологий отработки месторождений полезных ископаемых на больших глубинах. Структурная иерархия массивов пород, пронизывающая собой практически все доступные для лабораторных и натурных исследований масштабные уровни, и, соответственно, наличие степеней свободы геоблоков, определяемых этой иерархией, приводит к тому, что в напряженных геосредах возникают нелинейные волны, носителями которых являются геоблоки определенных масштабных уровней за счет их трансляционного и вращательного движения при динамических воздействиях (по В.Н. Опарину - волны маятникового типа).
Контроль за деформированием и смещениями пород в режиме мониторинга осуществлялся в подземных наблюдательных выработках на руднике Октябрьский ОАО ГМК Норильский никель. Отрабатывались варианты схем установки датчиков деформометра в скважине при закреплении реперной опоры в глубине массива и у боковой стенки выработки, определялось соответствие проектных характеристик прибора реальным. Эксперименты проходили на восточном фланге шахты 1 рудника Октябрьский на глубине 700 м от поверхности в залежи сплошных сульфидных руд Х-1(0).
Рудное тело в описываемом блоке в основном имеет относительно простую морфологию и представлено рудами халькопирит-пирротинового состава, падение залежи на восток под углом 15Ц20. Мощность рудного тела составляет 15Ц22 м. План подземных горных работ и схема расположения деформометров приведены на рис. 13а. В проходке находились три забоя, при этом расстояние между встречными забоями составляло ~ 25 м. Были пробурены четыре скважины длиной от 15 до 20 м под углом 3 - 5: A и B - в стенках выработки РО-8/9; С и D - соответственно в забоях ТШ-9ю и ТШ-9с. В скважинах A, C, D были установлены три многоканальных продольных деформометра.
Результаты измерений смещений пород между контрольными точками вдоль скважин C и A относительно базовых опор в глубине массива представлены на рис. 13б и 13в. После взрыва 1 были зафиксированы смещения в контрольных точках д1 - д3 скважины C (рис. 13в). Между точками д1 и д2 наблюдалось расхождение, между д2 и д3 - сжатие, причем точка д1 сместилась в сторону борта выработки. Отмечено, что через сутки после взрыва точки ди д2 практически не изменили своего положения, а точка д3, совершив смещение в сторону стенки выработки с амплитудой 225 мкм, переместилась в противоположную сторону и практически заняла положение до взрыва.
б а в Рис. 13. План проведения горных работ и схема расположения деформометров по изучению квазистатических процессов в забое горной выработки при проведении взрывных работ а, смещения блоков по скважине A б и смещения блоков по скважине C в Представленные данные свидетельствуют о том, что для выбранных в эксперименте горно-геологических и геомеханических условий существенно нелинейные деформации от технологических взрывов проявляются на удалениях порядка 25 м и менее. При этом окрестная зона пород вокруг наблюдательной выработки глубиной ~ 4 м со стороны ведения буровзрывных работ испытывает знакопеременные деформации миллиметрового диапазона. Для оценки линейных размеров геоблоков , реагирующих на проведение взрывов ( ) в анализируемом случае, использовался геомеханический инвариант В.Н. Опарина, характеризующий распределение отношения средних расстояний между берегами трещин к диаметрам отделяемых ими геоблоков.
Применение многоканальных продольных деформометров для проведения многоточечных измерений смещений геоблоков в теле массива по группе скважин позволило осуществить ряд уникальных экспериментов по изучению особенностей развития нелинейных деформационно-волновых процессов в окрестностях технологических взрывов при проходке подземных выработок на западном фланге рудника Октябрьский. В ходе экспериментов было установлено, что реакция пород на взрывные воздействия носит ярко выраженный динамический знакопеременный характер, максимальное воздействие технологических взрывов на горный массив наблюдается в направлении проходки выработки, а приближение очагов взрывов к измерительным точкам приводит к росту деформаций с явной нелинейной зависимостью от расстояния.
К результатам натурных исследований, помимо значимых геомеханических эффектов, следует отнести также формулировку новых технических требований к базовому измерительному комплексу с целью расширения его функциональных возможностей. Эти требования - необходимость введения сейсмоакустического канала, датчика контроля электромагнитной эмиссии горных пород, увеличение времени работы в динамическом режиме - реализованы в модифицированном варианте приборного комплекса, предназначенном для проведения сейсмодеформационных измерений последействия технологических взрывов как в условиях подземных горных выработок рудников и шахт, так и применения в условиях карьеров.
Седьмая глава - разработка дебалансного виброисточника для управляемого механического воздействия на грунт. Здесь показана актуальность разработки, а также изложены экспериментально-теоретические основы создания дебалансных виброисточников с электроприводом и системой согласования для реализации активного вибросейсмического мониторинга грунтовых сред на большие расстояния.
Как показали представленные в главе V результаты экспериментов на моделях блочных сред, использование управляемых источников колебаний гармонического и импульсного типа для виброволновых исследований существенно расширяет инженерно-техническое и научно-методическое обеспечение мониторизации состояния породных массивов в горном деле путем анализа механических колебаний. Опыт работы на стенде продемонстрировал ряд возможностей, в частности, достаточно точного диагностирования изменения напряженного состояния модели при нагружении по рядам блоков, позволяя одновременно при возбуждении калиброванных вибросигналов с приемлемой точностью локализовать внутренние полости исследуемой среды по амплитудно-частотным характеристикам. В этой связи представляется перспективным реализовать управляемый мониторинг горных массивов в условиях рудников и шахт с использованием мощных дебалансных виброисточников гармонического типа рис. 14а для возбуждения виброволновых воздействий с заданными параметрами в пределах шахтных полей.
При создании виброисточников отрабатывались вопросы конструктивного устройства силовых механизмов, систем управления электроприводом дебалансов, способов согласования с грунтом для реализации эффективного возбуждения гармонических, регулируемых по частоте, амплитуде и фазе колебаний в грунтах как перспективного направления развития современных систем активного вибросейсмического мониторинга в массивах горных пород.
б а Рис. 14. Внешний вид а и расчетная схема б дебалансного виброисточника Генерация колебаний виброисточником, внешний вид и структурная схема которого показаны на рис. 14а, осуществляется силовой камерой, в состав которой входят дебалансы, редукторы и электродвигатели, установленные в едином корпусе. Электродвигатели поддерживают заданную скорость синхронную вращения дебалансов. Для изменения эксцентриситета неуравновешенных масс дебалансов применяется гидравлический привод двухстороннего действия. Механизм изменения эксцентриситета и электропривод вращения дебалансов позволяют управлять амплитудой, частотой и фазой вынуждающей силы в динамике и обеспечивают стабилизацию этих параметров в режимах установившихся колебаний.
Система согласования используется для резонансного усиления и передачи в грунт колебаний, генерируемых силовой камерой виброисточника. Согласование с коренными породами осуществляется через слой осадочных грунтов естественного залегания. Контакт с грунтом обеспечивает излучающая платформа, на которой установлена силовая камера. Механические воздействия передаются в коренные породы и могут распространяться в них в виде вибросейсмических сигналов на расстояния до 100 км и более по поверхности ив глубину до 4 км (инструментально зарегистрированные на нефтепромыслах). Для исследования согласования с грунтом и анализа динамических свойств виброисточника на основе его конструкции составлена расчетная схема (рис. 14б), которая отражает взаимодействие механических устройств с электроприводом дебалансов. Колебательный контур содержит инерционные, упругие и диссипативные элементы, которые отражают динамические свойства виброисточника, системы согласования и грунтовой среды.
Математическая модель виброисточника составлена на основе расчетной схемы (рис. 14б) с помощью уравнения Лагранжа второго рода. После преобразований получены следующие дифференциальные уравнения:
mn yn ri cosi rii sini 2rii sinirii 2 cosi cnyn yг nyn yг , (1) mi mг yг cг yг cnyn yг mгg г yг nyn yг, (2) miri mi yn cosi mirii2 mig1 cosi Fгi, (3) M эi miri 2 Jii miri yп sini 2miririi miri g sini ipi I Iвi яi MT i, (4) яi эi M эi LяiI ipiIвii я i U IяiRяi, (5) яi яi эi где: mп - масса виброисточника; mг - присоединенная масса грунта, взаимодействующего с излучающей платформой виброисточника; ri, mдi - эксцентриситет и масса неуравновешенной части i-го дебаланса; cп и п, cг и г - коэффициент жесткости и коэффициент диссипации системы согласования и грунта соответственно; i - угол поворота вала i-го дебаланса при вращении;
J - момент инерции дебаланса; Lя - индуктивность обмотки статора электродвигателя; Mя - взаимная индукция обмоток статора и возбуждения; Iя - ток э ip электродвигателя; iр - передаточное число редуктора; - скорость вращения вала электродвигателя; Iв - ток возбуждения электродвигателя, в исследуемой системе принимается постоянным; yп, yп - оси координат для перемещений, принятые на рис. 14б; g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения;
i - порядковый номер дебаланса; точки над символами обозначают производные первого и второго порядка соответственно.
С помощью математической модели были исследованы способы регулирования эксцентриситета неуравновешенной массы дебаланса, показавшие, что наиболее перспективным способом регулирования является изменение взаимного углового положения неуравновешенных масс без радиального перемещения. Конструктивно это достигается тем, что дебаланс изготавливается из двух составных частей, устанавливаемых на общем валу с возможностью взаимного разворота. При этом создается эффект перемещения неуравновешенной массы вдоль радиуса, что позволяет регулировать момент инерции дебаланса и, соответственно, величину вынуждающей силы в динамике.
Проблема согласования состоит в том, чтобы передавать максимум механической мощности в грунтовую среду в виде вибросейсмических колебаний. Ее решение позволяет обеспечить усиление амплитуды вынуждающей силы в динамике и повышает эффективность работы виброисточника в заданном диапазоне частот. Параметры системы согласования с помощью грунтового слоя определены в привязке к расчетной модели (рис. 14б) с позиций резонансного колебательного контура и характеризуются выражениями:
2E S mс , (6) 2 1 р 2E , (7) 2 1 г S р где S - площадь излучающего штампа; г, E, - плотность, модуль Юнга и коp 2 fp эффициент Пуассона для грунта; - частота резонансных колебаний.
Для согласования колебаний виброисточника с горным массивом может использоваться грунтовая насыпь. Насыпь отличается от других видов грунтовых оснований наличием откосов, характеризуемых углами наклона, что существенно влияет на резонансные частоты и поглощение при возбуждении колебаний в плотных грунтах. Схема грунтовой насыпи в ее сечении и основные варьируемые параметры показаны на рис. 15а. При анализе угол наклона откоса определяется по условию предельного равновесия.
б а Рис. 15. Структура грунтовой насыпи а и графики зависимостей: резонансных частот от размеров насыпи и модуля упругости грунта б Деформации откосов возникают при достижении предельных касательных напряжений по линиям скольжения. Рассматривая насыпь в уплотненном состоянии как упругое тело, можно определить ее частотные свойства. Составлено дифференциальное уравнение для схемы на рис. 15а; решение которого позволяет оценить влияние размеров верхнего основания, высоты, угла наклона откоса и параметров грунта на частотные свойства насыпи:
Ea 2 (8) гh23a 2 h.
где: г, E - плотность и модуль Юнга грунта, a, h, - размеры насыпи.
Графики изменения резонансных частот в зависимости от размеров на3a 20h сыпи (при выполнении условия ) и параметров грунта показаны на рис. 15б. Выбор способа согласования обусловлен спецификой нагрузки - грунтовой среды. Изменение параметров согласования существенно влияет на эффективность работы виброисточника и распространение колебаний в грунтах. Для анализа реакции среды при возбуждении колебаний необходимо учитывать динамическую жесткость и волновое сопротивление с учетом деформаций. Данные по эксплуатации виброисточников на естественных грунтах показывают, что скоростной разрез осадочных пород имеет сложный вид и меняется от места к месту. Общая характеристика разрезов заключается в том, что скорости распространения продольных и поперечных волн сравнительно быстро возрастают с глубиной. При этом модули упругости и плотности грунта, находящегося на глубине под более высоким давлением, также возрастают.
На рис. 16а показан график изменения напряжений под серединой штампа по глубине однородной насыпи, имеющей постоянные упругие параметры грунта, а на рис. 16б - график изменения напряжений по глубине неоднородной насыпи с упругими параметрами грунта, изменяющимися по закону:
k k*1k y, (9) * k где - упругая характеристика грунта на верхней границе насыпи; - коk эффициент, характеризующий изменение упругих свойств грунта по глубине.
а б Рис. 16. Графики распределения смещений однородного грунтового слоя с постоянными по глубине параметрами а и распределения смещений неоднородного грунтового слоя с переменными по глубине параметрами б при воздействии с поверхности штампа с силой F Как видно из графиков, в случае неоднородной насыпи давление штампа в динамических режимах передается по слоям на породы более высокой жесткости с меньшим затуханием. Таким образом, параметры насыпи могут быть искусственно сформированы таким образом, что жесткость верхнего слоя обеспечит резонансное усиление колебаний виброисточника, а последующие слои позволят снизить затухание динамического давления, действующего по глубине насыпи со стороны излучающей платформы.
Взаимодействие электродвигателя с колебательной системой виброисточника рассматривается в резонансных режимах. При анализе вращения дебаланса в области резонанса, где частота собственных колебаний близка или совпадает с частотой вынужденных колебаний, разность между этими частотами можно считать величиной достаточно малой. Принимается также, что в системе электродвигатель-виброисточник существует одночастотный режим.
Тогда уравнения математической модели (1)Ц(5)с помощью введения малого параметра и выполнения операций усреднения преобразуются к виду:
M q3a sin 2q3r , (10) a q22 sin ha 2q5r cos q5r sin, (11) 2 2 r, (12) q2 cos q5r sin q5 cos a 2 Fг a r cos r2 . (13) m Эти уравнения характеризуют изменение частоты , амплитуды a, фазы и эксцентриситета r при колебаниях виброисточника с учетом параметров колебательной системы (рис. 14б), задаваемых отношениями h, q2, q3, q5,. В общем случае , a, и r определяют путем интегрирования уравнений (10)Ц (13) численными методами. Режимы установившихся колебаний характеризуются тем, что они протекают при постоянных значениях частоты, амплитуды, эксцентриситета и фазы. Для исследования динамических процессов виброисточника при заданных параметрах конструкции разработан алгоритм, позволяющий получать с помощью компьютерных вычислений графики переменных, определяемых математической моделью, а также вычислять ряд силовых и энергетических характеристик, в частности: момент, создаваемый вращением дебаланса; момент на валу дебаланса, создаваемый колебаниями излучающей платформы; время переходного процесса электродвигателя в режиме изменения скорости вращения или эксцентриситета дебаланса и т. д.
Для создания эффективной излучающей системы виброисточника необходимо знать соотношение основных управляемых параметров (частоты и амплитуды колебаний грунта, скорости вращения электродвигателя и т. д.) в установившихся и переходных режимах работы. Расчеты взаимодействия колебательного контура виброисточника с электродвигателями, позволяющие оценить устойчивость работы в различных режимах, показаны на рис. 17а. Здесь даны характеристики нагрузки Si, которые определяют момент сил сопротивления при различных эксцентриситетах дебаланса в случае настройки контура согласования на резонансную частоту 6.65 Гц, и механические характеристики M электродвигателя, полученные при заданном напряжении электропитания.
дi а б в г Рис. 17. Соотношения моментов а и амплитуды колебаний излучающей платформы б в резонансной области для разных эксцентриситетов дебаланса, изменение амплитуды, частоты и фазы при переходе на резонансный режим в и сравнение режимов перехода через резонанс для двигателей разной мощности г Точки пересечения графиков Мдi и Si определяют рабочие частоты установившихся колебаний. Каждой частоте соответствует конкретная амплитуда (рис. 17б) и фаза колебаний, которые вычисляются по формулам (10) и (11).
М M Характеристики Ц, показанные на графике, определяют режимы рад1 дботы электродвигателя при заданном напряжении электропитания в функции скорости вращения. Зависимости, характеризующие нагрузку виброисточника, построены при фиксированных значениях статического момента дебаланса.
Качественная сторона процессов при пуске электродвигателей на зарезонансный режим показана на рис. 17(в, г). Графики с индексом 1 относятся к электродвигателю V1, а с индексом 2 - к электродвигателю V2. При сравнении характеристик видно, что время переходных процессов при изменении частоты и амплитуды сокращается для двигателей V2 (запас мощности l2 > l1). Частота на графике 2 возрастает быстрее в области максимальных амплитуд колебаний. Это обусловлено тем, что более мощный двигатель преодолевает резонансную область с более высоким ускорением в переходных режимах.
На рис. 18а показано семейство амплитудно-частотных характеристик, отражающих тенденцию снижения резонансной частоты с увеличением массы виброисточника. При увеличении массы виброисточника от 80 до 100 т резонансная частота колебаний понижается с 6.8 до 6.1 Гц. Характер изменения электрической мощности в зависимости от частоты колебаний и массы виброисточника, показан на рис. 18б. Максимумы резонанса представленных зависимостей совпадают с максимумами амплитудно-частотных характеристик.
Отличие заключается в увеличении после некоторого спада мощности потребления в зарезонансной области.
а б в Рис. 18. Экспериментальные амплитудно-частотные характеристики колебаний излучающей платформы а, изменения мощности электродвигателя б и затухания поверхностной волны колебаний грунта в для виброисточника ЦВ-1Характеристика затухания (рис. 18в) показывает, что на удалении 4 м от виброисточника поверхностная волна затухает в 3 раза. Этот факт может служить подтверждением правомочности использования метода местных упругих деформаций при выборе параметров искусственной грунтовой насыпи для согласования колебаний виброисточника с массивом горных пород.
Таким образом, показана перспективность возможной реализации управляемого активного мониторинга горных массивов с использованием электромеханических дебалансных виброисточников для возбуждения виброволновых воздействий с заданными параметрами в пределах шахтных полей рудников и шахт. Об этом свидетельствуют представленные экспериментальные данные и результаты расчетов по распространению и затуханию возбуждаемых вибросейсмических сигналов виброисточника в поверхностных слоях и по глубине грунтового массива, полученных в условиях геофизических полигонов и нефтепромыслов. Результаты расчетов и опыт эксплуатации подтверждают высокую надежность, стабильность работы и управляемость различных типов виброисточников при возбуждении колебаний в грунтовых средах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, решена проблема разработки научно-методических и экспериментально-теоретических основ, а также измерительных средств для создания новых систем активного управляемого деформационного и вибросейсмического мониторинга в горном деле для диагностики критических состояний блочных массивов горных пород, имеющая важное значение для науки и развития экономики страны. При этом получены следующие основные научно-практические результаты.
1. Разработан новый метод структурного анализа массивов горных пород и геологических разломов с количественных позиций определения их блочноиерархического строения как на основе размерной информации, полученной методами наземного лазерного сканирования, так и систематизированных картографических данных геоинформационных систем (на примере Кузбасса).
2. Доказано, что при обработке экспериментальной геомеханической и картографической информации для получения паспортной характеристики блочно-иерархического строения геосреды наиболее удобной и естественной является полу- или билогарифмическая шкала с основанием.
3. Разработан ряд силовых стендов с индивидуальным сжатием по рядам блоков и измерительных приборных комплексов для моделирования нелинейного поведения блочных сред в условиях плоского и объемного поля напряжений для исследования нелинейных геомеханических процессов.
4. Разработана система измерений при геомеханическом эксперименте на базе испытательной установки Instron-8802 с использованием современных компьютерных технологий, позволяющая регистрировать вибрационные сигналы, деформации и силовые воздействия, поступающие от разнотипных датчиков, гибко выбирать и контролировать режимы нагружения.
5. Разработан набор аппаратно-измерительных средств для построения мониторинговых систем контроля деформационно-волновых процессов при экспериментах с моделями блочных сред в составе: многоканального приборного комплекса вибро-деформационных измерений; контактных датчиков измерения перемещений и определения деформаций на основе позиционночувствительных фотоприемных устройств оптоэлектронного и оптикополяризационного типа; датчиков измерения силы сжатия по рядам блоков.
6. Разработаны и созданы: многоканальный скважинный оптоэлектронный продольный деформометр на основе позиционно-чувствительного датчика для эксплуатации в условиях агрессивных сред и измерительный зонд контроля поперечного сечения горизонтальных скважин на основе датчика эллипсометрического типа для мониторинга деформационных процессов при проявлениях горного давления в условиях рудников и шахт.
7. Методами физического моделирования поведения одномерной модели блочной среды в условиях длительного одноосного нагружения с усилием, равным пределу прочности на изгиб, установлено, что: блочные структуры при слабом боковом подпоре могут разрушаться под действием вертикальных напряжений при уровнях, существенно меньших предела прочности соответствующих образцов горных пород на одноосное сжатие; преобладающее направление возникающих систем трещин при таких нагрузках в целом отвечает направлению действия сил сжатия; средняя скорость прорастания трещин от10рыва в блочном массиве оценивается величинами порядка м/с.
8. Исследованиями реакции блоков модели геосреды на гармонические воздействия при разных уровнях нагружения установлено, что: существует устойчивая корреляционная связь между стадиями нагружения среды со структурой и амплитудно-частотными характеристиками регистрируемых сигналов в блоках; частоты резонансных акустических колебаний в блоках, существенно разнящиеся между собой на начальных этапах нагружения, проявляют конвергенцию на завершающих стадиях нагружения; на стадии предразрушения имеет место не только схождение резонансных частот по системе блоков, но и усиление амплитуды гармонических сигналов, при этом нарушается классический закон степенного затухания гармонических сигналов от источника излучения, а модель из геоматериалов превращается в акустически активную среду, работающую на этапе предразрушения как автоколебательная система.
9. По результатам натурных испытаний многоканальных оптоэлектронных продольных деформометров на рудниках Талнаха расширены их функциональные возможности применительно к мониторинговым исследованиям деформационно-волновых процессов в окрестностях очаговых зон разрушения горных массивов в плане: увеличения чувствительности измерительных датчиков как по амплитуде регистрируемых сигналов, так и по частоте их дискретизации; ввода акустического канала контроля первых вступлений продольных, поперечных и маятниковых волн; ввода канала синхронизации времени включения приборов с моментом производства технологического взрыва.
10. Экспериментами на рудниках установлено: максимальное воздействие технологических взрывов как по смещениям, так и деформациям наблюдается в направлениях движения горной выработки; ведение буровзрывных работ приводит к активизации зонально-дезинтеграционных процессов вокруг выработок, находящихся в зоне влияния технологических взрывов; имеет место динамическая знакопеременная реакция пород по смещениям и деформациям между структурными блоками с амплитудами смещений, доходящими до десятых долей миллиметра; при подземных взрывах геоблоки в окрестных к очагам зонах приходят в движение, смещаясь синфазно и противофазно друг относительно друга; при мощности взрыва более 200 кг в породных массивах зарегистрирована волна смещения геоблоков со скоростью ~ 0.6 м/c.
11. Разработаны экспериментально-теоретические и технические основы создания дебалансных виброисточников с электроприводом и системой согласования с грунтом для реализации активного вибросейсмического мониторинга, что позволяет исследовать влияние скорости вращения и эксцентриситета дебалансов в динамике с учетом нагрузки электродвигателей, колебаний излучающей платформы, контура согласования и грунта на режимы управляемой генерации вибросейсмических сигналов в массивах горных пород.
ИТЕРАТУРА 1. Юшкин В.Ф. Анализ динамических характеристик электромеханической системы виброисточника. [Текст] / В.Ф. Юшкин, Н.В. Макарюк // Сб. Автоматизация электромеханических систем. - Новосибирск: НЭТИ, 1983. - С. 106Ц 110.
2. Путинцев Н.Н. Математическая модель электромеханической системы приводов дебалансов виброисточника. [Текст] / Н.Н. Путинцев, Н.П. Ряшенцев, Ю.И. Соболев, В.Ф. Юшкин // ФТПРПИ. - 1983. - № 6. - С. 69Ц73.
3. Юшкин В.Ф. Алгоритм математического моделирования электропривода центробежного сейсмоисточника на ЭВМ [Текст] / В.Ф. Юшкин // Сб. Автоматизированный электропривод. - Новосибирск: НЭТИ, 1984. - С. 89Ц95.
4. Юшкин В.Ф. Анализ собственных частот виброисточника. [Текст] / В.Ф. Юшкин, Н.П. Ряшенцев, Н.Н. Путинцев, Н.В. Макарюк // Сб. Электромагнитные виброимпульсные системы. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1984. - С. 126Ц136.
5. Юшкин В.Ф. Моделирование динамических процессов сейсмоисточника.
[Текст] / В.Ф. Юшкин, Н.П. Ряшенцев, Н.Н. Путинцев // Алгоритмы и программы. Информ. бюлл. 5 (62). 1-7963. - М.: 1984. - 65 с.
6. Юшкин В.Ф. Динамическая модель системы виброисточник-твердое тело-грунт. [Текст] / В.Ф. Юшкин, В.А. Сухарев // Сб. Исследования по созданию научных основ прогноза землетрясений в Сибири. - Иркутск: ИЗК ВСФ СО АН СССР, 1984. - С. 87Ц89.
7. Юшкин В.Ф. Анализ потерь мощности дебалансного вибратора. // Сб.
Импульсный электромагнитный привод. [Текст] / В.Ф. Юшкин - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1988. - С. 141Ц145.
8. Юшкин В.Ф. Дифференциальные уравнения системы виброисточникгрунт-твердое тело. [Текст] / В.Ф. Юшкин // Сб. Исследование по поискам предвестников землетрясений в Сибири. - Новосибирск: Наука, 1988. - С. 29Ц 37.
9. Юшкин В.Ф. Исследование на ЭВМ некоторых режимов работы виброисточника. [Текст] / В.Ф. Юшкин, В.В. Житилин, Н.Н. Путинцев, Ю.И. Соболев // Сб. Исследования по поискам предвестников землетрясений в Сибири. - Новосибирск: Наука, 1988. - С. 37Ц44.
10. Ряшенцев Н.П. Управляемое сейсмическое воздействие на нефтяные залежи. [Текст] / Н.П. Ряшенцев, Ю.С. Ащепков, Б.Ф. Симонов, Л.А. Назаров, А.И. Кадышев, В.Ф. Юшкин - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1989. (Препринт № 31) - 60 с.
11. Курленя М.В. О расклинивающем эффекте зон опорного давления.
[Текст] / М.В. Курленя, В.Н. Опарин, Г.Ф. Бобров, В.Ф. Юшкин, А.А. Акинин, В.И. Востриков// ФТПРПИ. - 1995. - № 4. - С. 3Ц11.
12. Курленя М.В. Многоканальный оптоэлектронный деформометр продольного типа. [Текст] / М.В. Курленя, В.Н. Опарин, В.Ф. Юшкин, А.А. Акинин, Г.Г. Сиденко // ФТПРПИ. - 1997. - № 3. - С. 105Ц119.
13. Опарин В.Н. О новой шкале структурно-иерархических представлений как паспортной характеристике геосреды. [Текст] / В.Н. Опарин, В.Ф. Юшкин, Е.Г. Балмашнова, А.А. Акинин // ФТПРПИ. - 1998. - № 5. - С. 16Ц33.
14. Курленя М.В. О некоторых особенностях эволюции гармонических акустических сигналов при нагружении блочных сред с цилиндрической полостью. [Текст] / М.В. Курленя, В.Н. Опарин, В.Ф. Юшкин, А.А. Акинин, Б.Ф.
Симонов, Е.Г. Балмашнова // ФТПРПИ. - 1999. - № 6. - С. 10Ц32.
15. Опарин В.Н. О конвергенции частот акустических сигналов при нагружении моделей блочных сред на стадии предразрушения. [Текст] / В.Н. Опарин, В.Ф. Юшкин, А.А. Акинин // Тр. Международной конференции Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. ИГД СО РАН. - Новосибирск, 1999. - С. 77Ц85.
16. Юшкин В.Ф. Экспериментальные испытания многоканального оптоэлектронного деформометра. [Текст] / В.Ф. Юшкин, В.Н. Опарин, В.В. Аршавский, А.А. Акинин, А.П. Тапсиев // ФТПРПИ. - 2000. - № 6. - С. 107Ц123.
17. Опарин В.Н. Автоматизированная система физического моделирования напряжнно-деформированного состояния блочных структур геосреды.
[Текст] / В.Н. Опарин, В.М. Жигалкин, В.Ф. Юшкин, А.К. Поташников, Б.Ф. Симонов, Н.А. Канискин // ФТПРПИ. - 2001. - № 2. - С. 105Ц112.
18. Курленя М.В. К проблеме создания комплексов прецизионных приборов для регистрации нелинейных деформационных волн. [Текст] / М.В. Курленя, В.Н. Опарин, А.А. Акинин, В.И. Востриков, В.Ф. Юшкин, А.К. Поташников, С.В. Плотников, Ю.В. Чугуй // Тр. Международной конференции Геодинамика и напряженное состояние недр Земли (2Ц4 октября 2001 г.). ИГД СО РАН. - Новосибирск, 2001. - С. 206Ц211.
19. Опарин В.Н. О деформационных процессах, индуцированных технологическими взрывами. [Текст] / В.Н. Опарин, В.В. Аршавский, В.И. Востриков, А.А. Акинин, В.Ф. Юшкин, А.П. Тапсиев, Б.Н. Самородов // Тр. Международной конф. Геодинамика и напряженное состояние недр Земли (Новосибирск, 2 - 4 октября 2001 г.). ИГД СО РАН. - Новосибирск, 2002. - С. 66Ц74.
20. Юшкин В.Ф. Особенности разрушения одномерной модели блочных сред при длительном одноосном нагружении. [Текст] / В.Ф. Юшкин, В.Н. Опарин, В.М. Жигалкин, Б.Ф. Симонов, В.В. Аршавский, А.П. Тапсиев // ФТПРПИ. - 2002. - № 4. - С. 81Ц93.
21. Юшкин В.Ф. О разрушении одномерной модели блочных сред в условиях длительного одноосного нагружения. [Текст] / В.Ф. Юшкин, В.В. Аршавский, В.Н. Опарин, В.М. Жигалкин, Б.Ф. Симонов, А.П. Тапсиев // Физическая мезомеханика. - 2002. - Т. 5. - № 5. - С. 51Ц60.
22. Опарин В.Н., Нелинейные деформационные процессы в окрестности выработок. Ч. I. [Текст] / В.Н. Опарин, А.А. Акинин, В.И. Востриков, В.Ф. Юшкин // ФТПРПИ. - 2003. - № 4. - С. 3Ц10.
23. Юшкин В.Ф. О расчетной схеме динамического взаимодействия виброисточника с блочным коллектором нефтяного пласта. [Текст] / В.Ф. Юшкин, Б.Ф. Симонов // Наука и технология углеводородов. - 2003. - № 4. - С. 63Ц66.
24. Юшкин В.Ф. Нелинейные деформационные процессы в окрестности выработок. Ч. II. [Текст] / В.Н. Опарин, В.И. Востриков, В.Ф. Юшкин, А.А. Акинин, В.В. Аршавский, Б.Н. Самородов, В.Б. Вильчинский, А.П. Тапсиев // ФТПРПИ. - 2003. - № 6. - С. 3Ц13.
25. Опарин В. Н. Аппаратура и методы измерения деформаций образцов горных пород с помощью оптико-поляризационных датчиков. [Текст] / В.Н. Опарин, В.М. Жигалкин, В.Ф. Юшкин, В.Н. Семенов, О.М. Усольцева, А.В. Бабичев, В.Н. Федоринин, А.К. Поташников // Тр. Международной конференции Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. ИГД СО РАН. - Новосибирск, 2004. - С. 203Ц209.
26. Опарин В.Н. Применение вибровоздействия на нефтяные пласты для вовлечения в разработку остаточных нефтенасыщенных зон. [Текст] / В.Н. Опарин, Б.Ф. Симонов, В.Ф. Юшкин, А.И. Кадышев, А.С. Постников // Тр. Международной конференции Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. ИГД СО РАН. - Новосибирск, 2004. - С. 498Ц504.
27. Юшкин В.Ф. Разработка методики определения полей горного давления и направлений смещения флюидов в нефтяных пластах. [Текст] / В.Ф. Юшкин, Б.Ф. Симонов // Технологии нефти и газа. - 2004. - № 6. - С. 45Ц55.
28. Юшкин В.Ф. Излучение волновых полей и энергетика сейсмоисточника.
[Текст] / В.Ф. Юшкин, Б.Ф. Симонов, Л.А. Назаров // Технологии нефти и газа. - 2005. - № 1. - С. 57Ц62.
29. Опарин В.Н. Устройства непрерывного контроля параметров деформационно-волновых процессов в массиве горных пород. Ч. I: Принцип измерения продольных перемещений горных пород в скважине и конструкция позиционно-чувствительного датчика. [Текст] / В.Н. Опарин, Ю.В. Чугуй, В.М. Жигалкин, В.Ф. Юшкин, А.К. Поташников, С.В. Плотников, В.С. Базин, К.И. Кучинский, В.М. Гуренко, В.С. Зинченко // ФТПРПИ. - 2005. - № 3. - С. 106Ц115.
30. Юшкин В.Ф. Устройства непрерывного контроля параметров деформационно-волновых процессов в массиве горных пород. Ч. II: Принцип определения деформаций модели блочной геосреды и конструктивное устройство оптоэлектронного микрометрического датчика. [Текст] / В.Ф. Юшкин, В.Н. Опарин, Ю.В. Чугуй, В.М. Жигалкин, А.К. Поташников, Е.В. Сысоев, Л.М. Степнов, Р.В. Куликов, И.В. Голубев // ФТПРПИ. - 2005. - № 4. - С. 108Ц117.
31. Опарин В.Н. Устройства непрерывного контроля параметров деформационно-волновых процессов в массиве горных пород. Ч. III: Зонд для определения поперечных деформаций скважины и его конструктивное устройство.
[Текст] / В.Н. Опарин, В.Н. Федоринин, В.М. Жигалкин, В.Ф. Юшкин, В.И. Сидоров, И.А. Лучшев // ФТПРПИ. - 2005. - № 5. - С. 106Ц132. Опарин В.Н. К вопросу формирования информационной геомеханической модели строения Кузнецкого угольного бассейна. [Текст] / В.Н. Опарин, В.П. Потапов, В.Ф. Юшкин, Н.А. Кирильцева, А.С. Изотов // ФТПРПИ. - 2006. - № 3. - С. 27Ц49.
33. Опарин В.Н. О дискретных свойствах объектов геосреды и их каноническом представлении. [Текст] / В.Н. Опарин, А.С. Танайно, В.Ф. Юшкин // ФТПРПИ. - 2007. - № 3. - С. 6Ц35.
34. Юшкин В.Ф. Формирование геомеханической модели борта карьера методом лазерного сканирования. [Текст] / В.Ф. Юшкин, В.Н. Опарин, А.В. Середович, А.В. Иванов, С.А. Прокопьева // ФТПРПИ. - 2007. - № 5. - С. 102Ц112.
35. Опарин В.Н. Методы и измерительные приборы для моделирования и натурных исследований нелинейных деформационно-волновых процессов в блочных массивах горных пород. [Текст] / В.Н. Опарин, Б.Д. Аннин, В.М. Жигалкин, Ю.В. Чугуй, Г.И. Кулаков, А.И. Чанышев, Е.Н. Шер, Г.В. Егоров, А.М. Михайлов, А.К. Поташников, В.Ф. Юшкин, А.А. Акинин, В.Н. Федоринин, С.В. Плотников, В.И. Востриков, Н.И. Александрова, В.А. Сарайкин, Г.Е. Яковицкая / Под ред. Шкуратника В.Л. - Новосибирск:
изд-во СО РАН, 2007. - 320 с.
36. Oparin V.N. Phenomenological Fundamentals of Theory of Pendulum-Type Wales [Text] / V.N. Oparin, V.I. Vostrikov, V.F. Yushkin // Taiwan-RussiaSingapore Trilateral Symposium on Mechatronic Engineering&Application. - 2007.
Ц Pp. 12Ц23.
37. Пат. 2065955 Российская Федерация, МПК7 Е 21 B 43/32. Способ создания противофильтрового экрана. [Текст] / В.Н. Опарин, Г.Ф. Бобров, В.Ф. Юшкин, А.К. Ягафаров. - № 94024289.03; заявл. 29.06.94; опубл. 27.08.96, бюл. № 24. - 8 с.
38. Пат. 2097558 Российская Федерация, МПК7 Е 21 С 39/00. Способ контроля напряженно-деформированного состояния в блочных структурах геосферы, базовая опора, деформометр и регистратор. [Текст] / В.Н. Опарин, М.В. Курленя, Г.Г. Сиденко, А.А. Акинин, А.П. Тапсиев, В.В. Аршавский, В.Ф. Юшкин. - № 95109996.03; заявл. 14.06.95; опубл. 27.11.97, бюл. № 33. - 32 с. ил. 14.