Оценка концентрации напряжений вблизи карстовых полостей при разработке рудных месторождений

Проведен обзор исследований, посвященных проблеме карста. Рассматриваются вопросы, связанные с механизмом обрушения горных пород вблизи карстовых полостей, а также методики, применяемые для оценки устойчивости массива горных пород, вмещающего карстовую полость. В ряде исследований аналитическими, численными методами, а также методами физического моделирования на эквивалентных материалах рассматривается взаимодействие между одиночной выработкой и карстовой полостью. Представлено исследование напряженно-деформированного состояния пород, вмещающих карстовые полости. Выполнена постановка задачи по оценке влияния карстов на напряженно-деформируемое состояние окружающего массива. Рассмотрена карстовая полость больших размеров, имеющая сложную форму поверхности. Для описания вмещающего карстовую полость рудного массива была использована линейно-упругая изотропная модель среды. Физико-механические свойства для нарушенного массива были определены по эмпирическим методикам. Расчетная схема представляет собой трехмерное пространство с карстовой полостью, к которому приложено естественное поле напряжений. Проведено упрощение сложной поверхности карста до эллипсоида с эквивалентными геометрическими параметрами. В результате проведенного исследования выявлены закономерности распределения напряжений от неровностей поверхности карстовой полости и эквивалентных ей эллипсоидов в трех взаимно-перпендикулярных сечениях.

Протосеня А. Г., Веселова А. В., Котиков Д. А. Оценка концентрации напряжений вблизи карстовых полостей при разработке рудных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 2. – С. 5–22. DOI: 10.25018/ 0236_1493_2024_2_0_5.

Протосеня Анатолий Григорьевич¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: Protosenya_AG@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0001-7829-6743,
Веселова Анастасия Владимировна¹ — аспирант, e-mail: veselova.nastia2015@yandex.ru, ORCID ID: 0009-0004-6450-183X,
Котиков Дмитрий Александрович¹ — канд. техн. наук, зав. лабораторией, e-mail: hromokot@list.ru, ORCID ID: 0009-0006-8445-2689,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II.

Веселова А.В., e-mail: veselova.nastia2015@yandex.ru.

1. Movchan I., Yakovleva A., Movchan A., Shaygallyamova Z. Early assessment of seismic hazard in terms of Voronezh Massif-Moscow Depression contact // Mining of Mineral Deposits. 2021, vol. 15, no. 3, pp. 62—70. DOI: 10.33271/mining15.03.062.

2. Movchan I. B., Shaygallyamova Z. I., Yakovleva A. A., Movchan A. B. Increasing resolution of seismic hazard mapping on the example of the north of middle russian highland // Applied Sciences. 2021, vol. 11, no. 11, article 5298. DOI: 10.3390/app11115298.

3. Алексеев С. В., Алексеева Л. П., Гладков А. С., Трифонов Н. С., Серебряков Е. В., Павлов С. С., Ильин А. В. Рассолы глубоких горизонтов кимберлитовой трубки «Удачная» // Геодинамика и тектонофизика. — 2018. — Т. 9. — № 4. — С. 1235—1253. DOI: 10.5800/GT-20189-4-0393.

4. Кузьмин С. Б. Опасные природные процессы в Российской Федерации // Проблемы анализа риска. — 2019. — Т. 16. — № 2. — С. 10—35. DOI: 10.32686/1812-5220-2019-16-2-10-35.

5. Dippenaar M. A., Louis van Rooy J., Diamond R. E. Engineering, hydrogeological and vadose zone hydrological aspects of Proterozoic dolomites (South Africa) // Journal of African Earth Sciences. 2019, vol. 150, pp. 511—521. DOI: 10.1016/j.jafrearsci.2018.07.024.

6. Zhang S., Jin Q., Hu M., Han Q., Sun J., Cheng F., Zhang X. Differential structure of Ordovician karst zone and hydrocarbon enrichment in paleogeomorphic units in Tahe area, Tarim Basin, NW China // Petroleum Exploration and Development. 2021, vol. 48, no. 5, pp. 1113—1125. DOI: 10.1016/ S1876-3804(21)60095-2.

7. Строкова Л. А., Ежкова А. В., Леонова А. В. Применение линеаментного анализа для оценки карстоопасности при проектировании магистрального газопровода в Южной Якутии // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2020. — Т. 331. — № 11. — С. 117—126. DOI: 10.18799/24131830/2020/11/2891.

8. Куницкий В. В. Карбонатный карст в многолетнемерзлых породах // Наука и техника в Якутии. — 2008. — № 2(15). — С. 5.

9. Карасев М. А., Петрушин В. В., Рысин А. И. Применение метода конечно-дискретных элементов для описания механики поведения соляных пород на макроструктурном уровне // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 4. — С. 48—66. DOI: 10.25018/ 0236_1493_2023_4_0_48.

10. Лаврова Н. В. К вопросу об эволюции зон деформации в условиях платформы на примере Кунгурской Ледяной пещеры (Предуралье) // Записки Горного института. — 2020. — Т. 243. — С. 279—284. DOI: 10.31897/PMI.2020.3.279.

11. Потехин Д. В., Галкин С. В. Применение технологии машинного обучения при моделировании распределения литотипов на пермокарбоновой залежи нефти Усинского месторождения // Записки Горного института. — 2023. — Т. 259. — С. 41—51. DOI: 10.31897/PMI.2022.101.

12. Путилов И. С., Винокурова Е. Е., Гуляева А. А., Южаков А. Л., Попов Н. А. Создание концептуальной геологической модели, основанной на литолого-петрографических исследованиях, на примере пермокарбоновой залежи Усинского месторождения // Недропользование. — 2020. — Т. 20. — № 3. — С. 214—222. DOI: 10.15593/2712-8008/2020.3.2.

13. Беляков Н. А., Беликов А. А. Прогноз целостности водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных руд // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6-2. — С. 33—46. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_33.

14. Евдокимов А. Н., Пхарое Б. Л. Особенности минерального и химического составов Северо-Западного рудопроявления марганца в районе Хайфельда, ЮАР // Записки Горного института. — 2021. — Т. 248. — С. 195—208. DOI: 10.31897/PMI.2021.2.4.

15. Анисимов К. А., Никифоров А. В. Современные технологии отработки алмазоносных месторождений // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2023. — Т. 334. — № 1. — С. 196—208. DOI: 10.18799/24131830/2023/1/3837.

16. Мельник В. В., Харисов Т. Ф., Замятин А. Л. Методические основы комплексных геомеханических исследований для выбора оптимальных параметров осушения обводненных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 3-1. — С. 127—137. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-127-137.

17. Далатказин Т. Ш., Каюмова А. Н. Обеспечение безопасности горных работ при разработке Соколовского железорудного месторождения // Проблемы недропользования. — 2019. — № 4. — С. 113—121. DOI: 10.25635/2313-1586.2019.04.113.

18. Мельник В. В., Замятин А. Л. Осушение рудных тел в условиях повышенной обводненности и закарстованности налегающей толщи // Проблемы недропользования. — 2018. — № 1. — С. 101—111. DOI: 10.25635/2313-1586.2018.01.105.

19. Мельник В. В. Диагностика карстопроявлений при проведении инженерно-геологических изысканий // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2010. — № 7. — С. 275—278.

20. Guo J., Wu W., Liu X., Huang X., Zhu Z. Theoretical analysis on safety thickness of the waterresistant rock mass of karst tunnel face taking into account seepage effect // Geotechnical and Geological Engineering. 2022, vol. 40, pp. 697—709. DOI: 10.1007/s10706-021-01916-7.

21. Ван И. Литологический состав и коллекторские свойства нижнеордовикских отложений свиты Модягоу на месторождении Табамяо (бассейн Ордос, КНР) // Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. — 2016. — № 5. — С. 81—86.

22. Huang F., Zhao L., Ling T., Yang X. Rock mass collapse mechanism of concealed karst cave beneath deep tunnel // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2017, vol. 91, pp. 133—138. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2016.11.017.

23. Lyu C., Yu L., Wang M., Xia P, Sun Y. Upper bound analysis of collapse failure of deep tunnel under karst cave considering seismic force // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2020, vol. 132, article 106003. DOI: 10.1016/j.soildyn.2019.106003.

24. Yang Z., Zhang R., Xu J., Yang X. Energy analysis of rock plug thickness in karst tunnels based on non-associated flow rule and nonlinear failure criterion // Journal of Central South University. 2017, vol. 24, pp. 2940—2950. DOI: 10.1007/s11771-017-3708-1.

25. Yu L., Lyu C., Wang M., Xu T. Three-dimensional upper bound limit analysis of a deep soiltunnel subjected to pore pressure based on the nonlinear Mohr-Coulomb criterion // Computers and Geotechnics. 2019, vol. 112, pp. 293—301. DOI: 10.1016/j.compgeo.2019.04.025.

26. Guo J., Chen J., Chen F., Huang S., Wang H. Using the Schwarz alternating method to identify critical water-resistant thickness between tunnel and concealed cavity // Advances in Civil Engineering. 2018, vol. 2018, article 8401482. DOI: 10.1155/2018/8401482.

27. Jiang H., Li L., Rong X., Wang M., Xia Y., Zhang Z. Model test to investigate waterproofresistant slab minimum safety thickness for water inrush geohazards // Tunnelling and Underground Space Technology. 2017, vol. 62, pp. 35—42. DOI: 10.1016/j.tust.2016.11.004.

28. Pan D., Li S., Xu Z., Lin P., Huang X. Experimental and numerical study of the water inrush mechanisms of underground tunnels due to the proximity of a water-filled karst cavern // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2019, vol. 78, pp. 6207—6219. DOI: 10.1007/s10064019-01491-5.

29. Wang L., Huang P., Chen L., Wang J., Zheng Z., Ma J. Study of the mechanism of water inrush in karst tunnel based on transparent rock mass physical model test // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021, vol. 861, article 052091. DOI: 10.1088/1755-1315/861/5/052091.

30. Yin Q., Jing H., Zhu T., Wu L., Su H., Yu L. Spatiotemporal evolution characteristics of fluid flow through large-scale 3D rock mass containing filling joints: an experimental and numerical study // Geofluids. 2021, vol. 2021, article 8883861. DOI: 10.1155/2021/8883861.

31. Zhang Q., Wang J., Feng L. Mechanical mechanism of hydraulic fracturing effect caused by water inrush in tunnel excavation by blasting // Mathematical Problems in Engineering. 2021, vol. 2021, article 9919260. DOI: 10.1155/2021/9919260.

32. Guo J., Qian Y., Chen J., Chen F. The minimum safe thickness and catastrophe process for water inrush of a karst tunnel face with multi fractures // Processes. 2019, vol. 7, article 686. DOI: 10.3390/ pr7100686.

33. Wang J., Li S., Li L., Shi S., Zhou Z., Song S. Mechanism of water inrush in fractures and block collapse under hydraulic pressure // Mathematics and Computers in Simulation. 2020, vol. 177, pp. 625—642. DOI: 10.1016/j.matcom.2020.05.028.

34. Деменков П. А., Комолов В. В. Исследование влияния строительства глубоких котлованов на оседания массива в плоской и пространственной постановке // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 6. — С. 97—110. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_6_0_97.

35. Fazioa N. L., Perrottia M., Lollinoa P., Pariseb M., Vattanoc M., Madoniac G., Di Maggio C. A three-dimensional back-analysis of the collapse of an underground cavity in soft rocks // Engineering Geology. 2017, vol. 228, pp. 301—311. DOI: 10.1016/j.enggeo.2017.08.014.

36. Пацкевич П. Г. О возможности использования упругого решения задач для моделирования напряженно-деформированного состояния горного массива и конструктивных элементов системы разработки при отработке кимберлитовых трубок месторождения им. М.В. Ломоносова // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2003. — № 4. — С. 25—28.

37. Серебряков Е. В., Гладков А. С. Геолого-структурная характеристика массива глубоких горизонтов месторождения Трубка «Удачная» // Записки Горного института. — 2021. — Т. 250. — С. 512—525. DOI: 10.31897/PMI.2021.4.4.

38. Vásárhelyi B., Kovács D. Empirical methods of calculating the mechanical parameters of the rock mass // Periodica Polytechnica Civil Engineering. 2017, vol. 61, no. 1, pp. 39—50. DOI: 10.3311/ PPci.10095.

39. Павлович А. А., Коршунов В. А., Бажуков А. А., Мельников Н. Я. Оценка прочности массива горных пород при разработке месторождений открытым способом // Записки Горного института. — 2019. — Т. 239. — С. 502—509. DOI: 10.31897/PMI.2019.5.502.

40. Протосеня А. Г., Катеров А. М. Обоснование параметров реологической модели соляного массива // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 3. — С. 16—28. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_3_0_16.

41. Трушко В. Л., Протосеня А. Г., Матвеев П. Ф., Совмен Х. М. Геомеханика массивов и динамика выработок глубоких рудников. — СПб.: СПГГИ, 2000. — 395 с.