CC BY
29
А.С. Вознесенский
доцент, к.т.н. Московский государственный горный университет
Э.А.Эртуганова
Московский государственный горный университет
НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ И ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ
Нарушение устойчивости выработки-сложный процесс, обусловливающийся, как правило, рядом причин [1].
Анализ деформационных процессов на карьерах показывает, что они обусловлены совместным влиянием природных (географо-климатических, геологических, гидрогеологических; группа геологических факторов является определяющей) и горнотехнических факторов (способ вскрытия карьерного поля, система разработки, режим горных работ, способ рыхления горной массы, структура комплексной механизации, отвалообразование, геометрические параметры карьера, наличие подземных работ в районе карьерного поля и в непосредственной близости от него; этой группой факторов можно управлять и тем самым снижать их вредное воздействие на массив горных пород) [2].
В результате проведения открытых горных выработок и отсыпки отвалов в прилегающих к ним массивам горных пород происходят следующие процессы: изменения уровня подземных вод, течение поверхностных вод, оседание, разуплотнение (разупрочнение) пород и выветривание.
Виды деформаций карьерных откосов можно разделить на 2 груты [2].
К первой группе относятся деформации, проявление которых не связано или связано незначительно с деятельностью подземных или поверхностных вод; в эту
группу входят осыпи, оползни, оплывины, просадки, обрушения.
Вторая группа включает фильтрационные деформации и нарушения устойчивости, связанные с поверхностной эрозией, выщелачиванием и растворением пород, к ней относятся также оплывание, выпор, механическая суффозия и фильтрационный вынос вдоль трещин.
Но поскольку нет единой причины, нет и единого средства предупреждения деформаций. Поэтому в зависимости от конкретных условий применяется комплекс методов Среди методов, контролирующих изменение НДС прибортовых массивов и свойств горных пород, слагающих их, наибольшее распространение получили геофизические методы: электро- и радиометрии, сейсмоакустические, магнитодинамические, и др. При выявлении и оконтуривании оползневых участков применяют комплекс электромагнитных и радиационных методов, позволяющих оценить не только физическое состояние грунтового массива, но и выделять краткопериодные аномалии, связанные с процессом в приповерхностной части, с тектоническими явлениями и т. д. Для оценки устойчивости бортов и уступов используется также метод акустической эмиссии [3, 4].
Трудность прогнозирования обрушений бортов и уступов карьеров заключается в том, что в процессе подготовки раз-
рушения процесс образования трещин и поверхностей ослабления непосредственно перед обрушением локализуется в узких областях, толщина которых значительно меньше размеров массивов пород.
Сложность решения задачи контроля и прогноза устойчивости бортов заставляет искать новые методы.
В последнее десятилетие наблюдается повышенный интерес к исследованию эффектов взаимодействия геофизических полей различной природы в горных породах и изучению возможностей их использования в практике геофизических работ. Существуют определённые предпосылки для утверждения, что именно эффекты взаимодействия полей и нелинейные эффекты будут научной базой последующего развития прикладной геофизики, послужат основой новых эффективных геофизических методов, позволяющих получать более достоверную и детальную информацию о структуре и составе исследуемых пород. Некоторые исследователи называют нелинейную геофизику наукой 21 века.
Как показано, эффективность волновых взаимодействий определяется нелинейностью среды. Вместе с тем, дискуссии о наличии нелинейных сейсмических эффектов в Земле ведутся до сих пор
На сегодняшний день имеется достаточно большое количество работ как теоретического [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11], так и экспериментального характера. Нелинейные эффекты в горных породах изучаются как в лабораторных [12, 13], так и в натурных условиях [14, 15, 16].
Значительное число работ посвящено изучению нелинейных сред. Как показано в ряде работ, проходя через однородную нелинейную среду, плоская гармоническая сейсмическая волна частоты со изменяет свою форму, а в её спектре появляются кратные гармоники с частотами 2со, Зсо и т. д. Две гармонические волны, распространяясь в одном направлении, взаимодейст-
вуют между собой, порождая новые гармонические волны суммарных и разностных частот. Таким образом, спектр волны, проходящей через нелинейную среду, обогащается как высокочастотными, так и низкочастотными составляющими Это справедливо и для периодических, и для импульсных колебаний.
В ряде работ сделаны оценки параметров нелинейных сред параметра нелинейности по полю статических деформаций и по скорости нарастания в среде высших гармоник Нелинейные эффекты могут возникнуть уже при незначительных деформациях среды. При прохождении акустических волн частотой 7-32 кГц через песчаник показано, что при относительном смещении (амплитуда колебания) свыше 10‘7 упругая модель среды должна быть заменена на нелинейную. Основной причиной нелинейности являются микротрешины и границы между зёрнами.
Нелинейные эффекты при взаимодействии 2 полей нашли отражение в работах по геофизической разведке на нефть, газ и твердые полезные ископаемые, а также в задачах мониторинга геологических и горнотехнических объектов В [17] излагаются результаты экспериментальных исследований совместного воздействия вибрационного и электромагнитного переменного низкочастотного полей на реальные геофизические среды применительно к задаче мониторинга геологических и горнотехнических объектов Наблюдались: эффект
возникновения сигналов комбинационных частот, гистерезисный эффект, резонансный характер зависимостей по частоте вибраций. В [18] представлены результаты сейс-моэлектрических исследований влагонасыщенных образцов горных пород на испытательных машинах обычной и повышенной жёсткости в условиях одноосного и объёмного сжатия при монотонных и циклических изменениях величины нагружающего усилия. Установлено, что по вариациям
величины сейсмоэлектрическсй чувствительности можно судить об изменениях трещиноватости горных пород в напряжён-но-деформи-рованном состоянии. Показана также возможность использования сейсмо-электрнческих явлений в качестве индикатора развития процесса трещннообразова-ния в массиве горных пород
Ряд работ посвящен изучению нелинейных эффектов. В работе [19] изучается влияние длины пробега, спектра источника, амплитуды смещения, затухания и коэф. нелинейности на спе»сгр распространяющейся волны. Расчеты выполнены для сред с параметрами типичных горных пород. В [20] приведены результаты экспериментального изучения нелинейного затухания сейсмических волн по скважинным данным, а в [21] предлагаемая схема нелинейного межскважинного прозвучивания основана на использовании эффекта нелинейной фазовой модуляции высокочастотных акустических волн в межскважинной среде под действием низкочастотного модулирующего поля. В [22] рассмотрены методы восстановления пространственного распределения нелинейного акустического параметра среды по результатам наблюдения нелинейных эффектов при распространении в ней акустических волн. В [23] приведены результаты экспериментальных исследований нелинейных акустических эффектов (нелинейные потери, сдвиг резонансной частоты, генерация высших гармоник, нелинейное затухание звука на звуке) в горных породах: речной песок, гранит и мрамор. Измерения проводились в стержневых резонаторах в диапазоне деформаций 10‘7-10*.
Нелинейные эффекты изучаются также методами физического моделирования. В [24] приводятся результаты исследования процесса генерации высших гармоник при распространении продольных ультразвуковых волн малой амплитуды че-
рез границу, образованную нежестким контактом двух пластин из оргстекла
Нелинейные эффекты используются как метод распознавания объектов. В [25] на основе одномерного биспектрапьного анализа предлагается способ идентификации нелинейных структур в частотной области Известны работы, в которых нелинейные эффекты используются для контроля процессов разрушения горных пород и других объектов под нагрузкой [26]
Приведенный краткий анализ позволяет сделать вывод о возможности решения задачи контроля развития процессов разрушения путем исследования нелинейных эффектов в горных породах для диагностики массива и его НДС. При оценке состояния бортов и уступов действующих карьеров одним из воздействий могут являться упругие волны от воздействия взрывов при отбойке горной массы.
Натурные наблюдения связаны с затратами больших средств, поэтому целесообразно провести определение положения поверхности разрушения и состояния борта и уступов карьера в лабораторных условиях на модели. Большие перспективы здесь открываются при использовании в качестве явлений, характеризующих состояние массива горных пород в процессе его разрушения, нелинейных эффектов, описанных выше. Значения информативных параметров, характеризующих состояние массива пород вначале могут быть получены на моделях, а затем будут уточняться по мере накопления экспериментальных данных в процессе натурных измерений. Большое значение при этом будут иметь методы и способы, инвариантные по отношению к размерам контролируемого объекта и имеющие высокую чувствительность по отношению к структурным изменениям в массиве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дсмин А.М. Закономерности проявлений деформаций откосов в карьерах. - М.: Наука, 1981.-144с.
2. Певзнер М.Е. Деформации горных пород на карьерах. -М.: Недра, 1992.-235с.: ил.
3. Hardy H R., Jr., Kimble E.J., Jr. AE / MS Studies Of Highway Rock Slopes. / Progress in Acoustic Emission V / Proceedings of the 10th International Acoustic Emission Symposium. Sendai, Japan, October 22-25, 1990. The Japanese Society for Non-Destructive Inspection. Pp. 230-238.
4. Hardy H R., Jr. iMonitoring of Rock and Soil Slopes, and Landslide Areas using AE / MS Techniques; A State-of-theArt Review (Plenary' Lecture). Proceedings International Conference on Monitoring, Suveillance and Predictive Maintenance of Plants and Structures. Italian Society for Non-Destructive Testing. Taormina/Sicily, October 16-18, 1989 pp. XLIV-LIV.
5. Николаев А.В. Развитие нетрадиционных методов в геофизике. В кн.: Физ. Основы сейсмического метода. Нетрадиц. Геофизика. Сб. Н. Тр. М., 1991.
6. Гамбурцев А.Г. Динамика геофизической Среды и катастрофы // Межд. науч. конф. ‘Теоф. и совр мир”,[ Москва), 9-13 авг., 1993.: Сб. реф. докл.-М., 1993.-С.85.
7. Белов Н.И. Некоторые модели потери устойчивости возбужденной геофизической среды на различных масштабных уровнях // Напряжения в литосфере: глоб., регион., лок.: 1 Межд. ссмин., Москва. 19-23 сент., 1994.: Тез. докл. -М., 1994.-С. 18-
19.
8. Егоров Г.В. Нелинейное взаимодействие продольных сейсмических волн в пористых флюидонасыщенных средах // Геол. и геофиз.-1995.-36, № 5.-С.110-117.
9. Stovanov Т. Nonlinear dynamics of propagation wave packets from natural seismic sources // Бьлг. Геофиз.спис. -1991.-17, № 4.-C.13-18.
10. Heshan L., Qingjun C., Zhixin X. Нелинейная реакция слоистых рыхлых пород на косо падающие волны SH // Tongji daxue xuebao. Ziran kexue ban.= J. Tongji Univ. Natur. Sci.-1994.-22,.N? 4-C.517-522.
11. Иванов Ф.И., Потапов В.А. Введение в инженерную сейсмологию (нелинейные приближения).-Иркутск: Изд-во ун-та, 1994.-80с.
12. Johnson P.A., McCall K.R. Observation and implications of nonlinear elasic wave response in rock// Geophys. Res. Lett.-1994.-21, № 3.-C. 165-168.
13. Машинскин Э.И. Процессы квазимикропластичности и нелинейная сейсмика // Физ. Земли -1994.- № 2.-С.З-9.
14 Николаев А В . Павленко О В , Яковлев А.П Квашстатические деформации земной поверхности. вызванные вибровоздейелвия и нелинейные свойства земных пород // Физ.Зсмли -1994 -№ 12,-С.3-11.
15. Алешин А С Возможности вибросейс-мического фазового метода контроля изменений напряжённого состояния среды // Напряж. в литосф.: глоб., регион., лок. 1 Межд ссмин., Москва. 19-23 сент., 1994.: Тез. докл.- М., 1994 -С 3-4.
16. Yingguang F., Jun S Взаимодействие между нелинейной геосредой и множеством структур при ударной волне // Dizhcn gongcheng yu gongchcng zhendong = Earthquake Eng And Eng Vibr.-1993.-13, № 2.-C.38-46.
17. Волкова EH, Камшилин А Н.. Кравченко В Б. Взаимодействие искусственно возбужденных вибрационных и электромагнитных полей в горных породах. -В кн.: Проблемы геоакустики методы и средств;!. Сборник трудов. -М.: Изд. МГТУ. 1996. 238с
18 Мигунов Н И.. Скрипочка С И.. Кокорев А. А О сейсмоэлектрическом эффекте горных пород // Физ. Земли.-1992.-№12.-С.20-28.
19 McCall K.R. Theoretical study of nonlinear clastic wave propagation // J. Geophys. Res. В -1994.-99, № 2.-С.2591-2600.
20. Литвин А Л., Брудно В А Экспериментальное изучение нелинейного затухания сейсмических волн (по скважинным данным) // Физ. Основы ссйсм. Метода. Нетрадиц. Геофиз. / АН СССР. Ин-т физ. Земли.- М., 1991.-С. 120-127.
21. Калимулин P.P., Касьянов ДА., Шала-шов Г.М. Измерение нелинейных упругих параметров методами нелинейного межскважинного прозву-чивания и вертикального профилирования // Физ. Основы ссйсм. Метода. Нетрадиц. Гсофиз./АН СССР. Ин-т физ. Зсмли.-М.,-1991.-С.113-120.
22. Беляева И.Ю., Сутин А.М. Сейсмическая томография нелинейных параметров // Препр. / Ин-т прикл. Физ. РАН.-1992.-№ 308.-С.1-27.
23. Зименков С В., Назаров В.Е. Нелинейные акустические эффекты в образцах горных пород // Физ. Земли.-1993.-№ 1.-С.13-18.
24. Нелинейное взаимодействие продольных волн малой интснсивностис нежесткой границей двух сред /Биаджи П.Ф., ЗимпинианиД.О., Манджа-вндзе И.Д., Манджавидзе П.В., Сгригна С. // Физ. Основы сейсм. Метода. Нетрадиц. Геофиз./ АН СССРР. Ин-т физ.Зсмли.- М., 1991 .-С. 127-134.
25. Shyu R.-J. A spcctral method for identifying nonlinear structures // Modal Anal.-1994.-9. № 4.-C.255-258.
26 Робсман В.А. Экспериментальное и теоретическое исследования нелинейных геоакустиче-ских процессов. В кн.: Проблемы геоакустики: мето-
ды и средства. Сборник трудов / Под. ред. B.C. Ямщикова. - М: Изд. МГГУ. 1996. стр. 143.
© А.С.Вознесенский, Э.А.Эртуганова
По материалам ежегодника «Обучение за рубежом> пол ред. С. Г.Кулика, П&лательсгьо МГГУ. 1997
ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ В СШв
Продолжение; начало на стр. 44
В США имеется более 3.100 аккредитованных вузов, обучение в которых ведется по широкому кругу направлений от изящных искусств и гуманитарных наук до ориентированных на профессиональную практическую деятельность специальностей в области инженерного дела и маркетинга. Университеты, имеющие достаточно сложную структуру, проводят обучение по программам базового высшего и постградуального образования в школах и колледжах, в департаментах и факультетах с присуждением академических степеней разного уровня. Колледжи имеют относительно простую структуру и проводят обучение в течение четырех лет по ограниченному числу направлений с присуждением лишь некоторых степеней. Профессиональные школы - это специальные подразделения университетов, осуществляющие подготовку специалистов определенного профиля: юристов
(юридические школы), врачей(медицинские школы), ветеринаров (ветеринарные школы), стоматологов (стоматологические школы) и т.д. В такие школы в США принимаются только лица, имеющие степень бакалавра.
Американские университеты и колледжи присуждают такие степени, как младший сотрудник, бакалавр, магистр и доктор. Степень младшего сотрудника присуждается специальными региональными и юниорскими колледжами по завершении студентами двухгодичного курса профессионально-технического обучения. Для получения степени бакалавра необходимо пройти четырехгодичный курс обучения в университете или колледже базового высшего образования. Обычно для этого необходимо набрать 60 так называемых кредитов по общеобразовательным дисциплинам и еще 60 кредитов по специальным предметам. Степень магистра, как правило, присуждается лицам, уже имеющим степень бакалавра, после успешного завершения ими обучения в магистратуре в течение одного -трех лет. Для получения степени доктора философии или доктора педагогики после окончания магистратуры необходимо дополнительно учиться еще в течение трех лет. При этом соискатель должен выполнить оригинальные научные исследования, написать диссертацию и устно защитить ее.
Источник информации: Нексус Медиа Лнмнтед. Свонлн, 1995 г.
Продолжение на стр. 127
