Учет трещиноватости породного массива при определении его естественного напряженного состояния методом кольцевой разгрузки с применением многокомпонентного датчика смещений

Добыча полезных ископаемых – комплексный процесс, одним из основных этапов которого являются горные работы. Увеличение их безопасности основано на выполнении геомеханического прогноза, степень достоверности которого во многом определяется инженерными изысканиями. При их выполнении особое место занимают методы оценки естественного напряженного состояния породного массива, основанные на бурении в породном массиве исследовательских скважин с последующей установкой высокоточного измерительного оборудования для выполнения натурных наблюдений. Предложен подход к учету нарушенности породного массива при определении его естественного напряженного состояния методом кольцевой разгрузки с применением многокомпонентного датчика смещений. Рассмотрены различные параметры трещиноватости: углы наклона трещин относительно продольной оси измерительной скважины и ширины раскрытия трещин, что необходимо для корректного определения характеристик их упругого отклика. Предложены пространственные численные модели, отражающие основные технологические этапы проведения полевых испытаний. Описан подход к определению эффективных деформационно-прочностных свойств трещиноватого породного массива, учитывающий его неоднородность и анизотропию.

Беляков Н. А., Емельянов И. А. Учет трещиноватости породного массива при определении его естественного напряженного состояния методом кольцевой разгрузки с применением многокомпонентного датчика смещений // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 12-1. – С. 145–164. DOI: 10.25018/0236_1493_ 2024_121_0_145.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 23-17-00144).

Беляков Никита Андреевич¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: Belyakov_NA@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-9754-501X,
Емельянов Иван Андреевич¹ — аспирант, e-mail: Emelyanov_IA@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-8515-3629,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II.

Емельянов И. А., e-mail: Emelyanov_IA@pers.spmi.ru.

1. Шабаров А. Н., Куранов А. Д. Основные направления развития горнодобывающей отрасли в усложняющихся горнотехнических условиях ведения горных работ // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 5—10. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.01.

2. Деменков П. А., Романова Е. Л., Котиков Д. А. Исследование формирования напряженно-деформированного состояния крепи вертикального ствола и вмещающего массива горных пород в условиях неравномерности его контура // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 11. — С. 33—48. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_11_0_33.

3. Карасев М. А., Сотников Р. О. Прогноз напряженного состояния набрызг-бетонной крепи при многократном сейсмическом воздействии // Записки Горного института. — 2021. — Т. 251. — С. 626—638. DOI: 10.31897/PMI.2021.5.2.

4. Jingyao G., Guangqi C., Zhijie W., Liping L., Yasuhiro M., Changze L., Hongyun F., Xinyan P., Yifan J. Numerical modeling of the failure process of the heterogeneous karst rock mass using the DDA-SPH method // Underground Space. 2023, vol. 13, pp. 1—22. DOI: 10.1016/j.undsp.2023.02.015.

5. Rafiee R., Ataei M., KhalooKakaie R., Jalali S., E., Sereshki F., Noroozi M. Numerical modeling of influence parameters in cavabililty of rock mass in block caving mines // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018, vol. 105, pp. 22—27. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2018.03.001.

6. Roshan H., Li D., Canbulat I., Regenauer-Lieb K. Borehole deformation based in situ stress estimation using televiewer data // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2023, vol. 15, pp. 2475—2481. DOI: 10.1016/j.jrmge.2022.12.016.

7. Mafakheri Bashmagh N., Lin W., Murata S., Yousefi F., Radwan A. E. Magnitudes and orientations of present-day in-situ stresses in the Kurdistan region of Iraq: Insights into combined strike-slip and reverse faulting stress regimes // Journal of Asian Earth Sciences. 2022, vol. 239, article 105398. DOI: 10.1016/j.jseaes.2022.105398.

8. Жерлыгина Е. С., Мустафин М. Г., Васильев Б. Ю., Николаев Р. В. Методика определения линейных параметров процессов сдвижений по цифровым моделям рельефа при разработке Хибинских месторождений апатит-нефелиновых руд // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 97—103. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.14.

9. Salmi E. F., Sellers E. J. A rock engineering system based abandoned mine instability assessment index with case studies for Waihi gold mine // Engineering Geology. 2022, vol. 310, article 106869. DOI: 10.1016/j.enggeo.2022.106869.

10. Fairhurst C. Stress estimation in rock: a brief history and review // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2003, vol. 40, pp. 957—973. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2003.07.002.

11. Xiang Z., Moon T., Oh J., Si G., Canbulat I. Analytical investigations of in situ stress inversion from borehole breakout geometries // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2023. DOI: 10.1016/j.jrmge.2023.08.018.

12. Han Z., Wang C., Wang C., Jiao Y., Wang Y., Wang J., Huang X. Determination of geo-stress in deep strata incorporating borehole diametral deformation measurement and overcoring // Measurement. 2023, vol. 218, article 113217. DOI: 10.1016/j.measurement.2023.113217.

13. Campos L. A., Ferreira F., Flávio A., Costa T. A. V., Marques E. A. G. New GSI correlations with different RMR adjustments for an eastern mine of the Quadrilátero Ferrífero // Journal of South American Earth Sciences. 2020, vol. 102, article 102647. DOI: 10.1016/j.jsames.2020.102647.

14. Zhang Q., Huang X., Zhu H., Li J. Quantitative assessments of the correlations between rock mass rating (RMR) and geological strength index (GSI) // Tunnelling and Underground Space Technology. 2019, vol. 83, pp. 73—81. DOI: 10.1016/j.tust.2018.09.015.

15. Hongke G., Bei J., Fenglin M., Qi W., Songlin C., Dahu Z., Wenrui W. Detection methods for strength deterioration and structural characteristics of fractured rock based on digital drilling //Measurement. 2024, vol. 233, article 114779. DOI: 10.1016/j.measurement.2024.114779.

16. Karimi S. L., Elmo D., Stead D. Improving DFN-geomechanical model integration using a novel automated approach // Computers and Geotechnics. 2019, vol. 105, pp. 228—248. DOI: 10.1016/j. compgeo.2018.10.005.

17. Li X., Li D., Xu Y., Feng X. A DFN based 3D numerical approach for modeling coupled groundwater flow and solute transport in fractured rock mass // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020, vol. 149, article 119179. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.119179.

18. Chenxi Z., Qinghua L., Zixin Z. Impact of fracture networks on the structural deformation of lined rock caverns under high internal gas pressure // Underground Space. 2024. DOI: 10.1016/j. undsp.2024.03.009.

19. Ziwen L., Ru Z., Jing X., Kun X., Li R., Zetian Z., Xinzhong W., Anlin Z. A new approach for 3D structure characterization of rock mass using an improved elliptical discrete fracture network model // Engineering Geology. 2024, vol. 339, article 107661. DOI: 10.1016/j.enggeo.2024.107661.

20. Kolapo P., Ogunsola N. O., Munemo P., Alewi D., Komolafe K., Giwa-Bioku A. DFN: An emerging tool for stochastic modelling and geomechanical design // Eng–Advances in Engineering. 2023, vol. 4, pp. 174—205. DOI: 10.3390/eng4010011.

21. Haryono I. S., Rogers S. F., Barrett S. V. L., McQueen L. B. Improved reliability in rock mass characterisation for underground support design —Discrete fracture network model and site observation // Tunnelling and Underground Space Technology. 2024, vol. 147, article 105740. DOI: 10.1016/j. tust.2024.105740.

22. Protosenya A., Vilner M. Assessment of excavation intersections’ stability in jointed rock masses using the discontinuum approach // Rudarsko-geološko-Naftni Zbornik. 2022, vol. 37, no. 2, pp. 137—147. DOI: 10.17794/rgn.2022.2.12.

23. Zou L., Mas Ivars D., Cvetkovic V. Impact of multiscale surface roughness on shear behavior of rock fractures // Tunnelling and Underground Space Technology. 2024, vol. 153, article 105974. DOI: 10.1016/j.tust.2024.105974.

24. Wan W., Li C. C. Microscopic and acoustic interpretations of the physics of rock burst and the difference in fracturing patterns in class I and class II rocks // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2022, vol. 55, pp. 6841—6862. DOI: 10.1007/s00603-022-03015-2.

25. Shen J., Karakus M., Xu C. A comparative study for empirical equations in estimating deformation modulus of rock masses // Tunnelling and Underground Space Technology. 2012, vol. 32, pp. 245—250. DO: 10.1016/j.tust.2012.07.004.

26. Ахрами O., Джавахери Купаи Х., Ахангари К. Определение модуля деформации и характеристик анизотропного поведения блочных массивов горных пород // Горные науки и технологии. — 2024. — Т. 9. — № 2. — С. 116—133. DOI: 10.17073/2500-0632-2023-08-143.

27. Ильинов М. Д., Петров Д. Н., Карманский Д. А., Селихов А. А. Аспекты физического моделирования процессов структурных изменений образцов горных пород при термобарических условиях больших глубин // Горные науки и технологии. — 2023. — Т. 8. — № 4. — С. 290—302. DOI: 10.17073/2500-0632-2023-09-150. EDN HGIPJW.

28. Беляков Н. А., Морозов К. В., Емельянов И. А. Методика обработки данных полевых испытаний по оценке естественного напряженного состояния горного массива методом кольцевой разгрузки // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 89—96. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.13.

29. Морозов К. В., Бахтин Е. В., Демёхин Д. Н., Бакуменко С. В., Яковлев Н. А. Патент № 2763565 Российская Федерация, МПК E21C 39/00 (2006.01). Устройство для оценки напряженно-деформированного состояния горного массива: № 2021119899: заявл. 07.07.2021: опубл. 30.12.2021. — 13 с.

30. Brown E. T. Rock characterization testing and monitoring / ISRM Suggested Methods. 1981, pp. 2007—2014. DOI: 10.1007/978-3-319-07713-0.

31. Зуев Б. Ю. Методология моделирования нелинейных геомеханических процессов в блочных и слоистых горных массивах на моделях из эквивалентных материалов // Записки Горного института. — 2021. — Т. 250. — С. 542—552. DOI: 10.31897/PMI.2021.4.7.

32. Iovlev G. A., Protosenya A. G., Petrov N. E. Determination of parameters of soil constitutive models based on field test data // Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2024, vol. 60, pp. 528—534. DOI: 10.1007/s11204-024-09925-3.

33. Стетюха В. А., Железняк И. И. Методика расчета на устойчивость эксплуатационной колонны из полимерного материала в многолетнемерзлых породах // Записки Горного института. — 2020. — Т. 241. — С. 22. DOI: 10.31897/PMI.2020.1.22.

34. Bouhfid N., Raji M., Boujmal R., Essabir H., Bensalah M., Bouhfid R., Qaiss A. 5-Numerical modeling of hybrid composite materials / Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering. 2019, pp. 57—101. DOI: 10.1016/B978-0-08-102289-4.00005-9.

35. Liu Z., Xia Y. Development of a numerical material model for axial crushing mechanical characterization of woven CFRP composites // Composite Structures. 2019, vol. 230, article 111531. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.111531.

36. Морозов К. В., Демёхин Д. Н., Бахтин Е. В. Многокомпонентные датчики деформаций для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6-2. — С. 80—97. DOI: 10.25018/0236_ 1493_2022_62_0_80.