IV.1. Експериментално изследване на напрегнатото състояние in situ

Резултати от in situ измерване на напреженията в зоната на транспортния тунел

Главни на- преже­ния	Маг­нитуд [MPa]	Ориента­ция Азимут/ наклон [],  %	Съот­но- ше­ние		Разпреде- ление	Геоста­тична хипотеза
1	3,94  4,84	 = 355  = -30	3		Субхоризон­тално, по оста на тунела	x = y = = 0,360,46 MPa
2	2,71  3,22	 = 260  = 26,5	2		Субхоризон­тално, нормално на тунелната ос
3	1,27  1,44	зенитен ъгъл 90  95	1		Вертикално	верт = = 1,82,4 MPa

Фиг. 23. Фотосесия на основните етапи на експеримента по метода на пълното разтоварване на открити повърхности

След обработката на резултатите, от експериментите в двете измерителни станции, на фиг. 24 е показана конфигурацията на резултантното поле на трасето в обхвата на целия тунел.

Дадена е също геомеханична оценка на in situ експеримента чрез резултатите от изследването и е оценена конфигурацията на резултантното поле чрез модифицирания вариант на метода за измерване на напрежение.

Фиг. 24. Конфигурация на резултантното поле на напрежения, действащи в масива, в обхвата на тунела

Построеният геомеханичен модел и създадената база данни, характеризиращи комплексно масива, са използвани при избора на методите за числено моделиране и местата на изчислителните сечения за параметричния анализ на посо­чената, по-горе система. За целите на анализа са избрани съвременните версии на софтуерите Phase² и SLIDE (W).

Размерите на изчислителните профили са избрани така, че границите им обхващат зоната на влияние на изработката. Граничните условия са зададени, чрез измерените компоненти на полетата на напрежение, а входните параметри на състоянието са от табл. II.1, II.2 и III.4 от базата данни за характеризацията на масива.

Областите на дискретизация на сеченията за всеки участък са определени, така че да обхванат най-неблагоприятните съчетания на геомеханичните фактори – максимални промени в действащите напрежения, а също на физикомеханичните и/или структурни характеристики на скалите; на контактните условия; влиянието на подземните води и т.н. чрез резултатите от чис­леното моделиране са прогнозирани и графично са представени разпределението на напреженията на индуцираните полета, техния характер, очертавани са геометрията и размерите на зоните на концентрации. Програмата позволява автоматично определяне и изобразяване на големините и посоките на векторите на радиалните премествания на масива, както и необходимите за анализа стойности на коефициентите на сигурност, съгласно критериите на Хоек-Браун за съответните якости (натиск, опън, тангенциална), в зоните на концентрация, развиващи се в скалния масив, непосредствено около контурите на тунела.

На фиг. 25, 26, 27 и 28 са показани геомеханичен модел и резултатите от анализа на НДС и устойчивостта на системата ВМ/ТТ по участъци, а в табл. V.1. те са в обобщен вид.



Фиг. 25. Геомеханичен модел на системата ВМ/ТТ на рудник „Елаците“


Фиг. 26. НДС на участък МI


Фиг. 27. НДС на участък МV


Фиг. 28. НДС на участъци МII  МIV
Това моделиране е използвано още за определяне и оценка на най-вероятните механизми на разрушаване от натиск (очакван в горнището) или срязване, или опън (по стените на тунела). Накрая, по резултатите от това моделиране е извършена проверка и е оценена адекватността на емпиричните препоръки, относно методите за изкопаване и закрепване на масива и тунела, за осигуряването му, при наличието на риск от загуба на устойчивост.

Таблица V.1.

Обобщени резултати от моделирането на НДС на вместващия масив

Харак-терис- тика Учас­тък	Литология, якостна категория, геоме-ханичен клас на масива	место- поло- жение	Макс. действа­щи напре-жения в зоните на концен­трация, МРа	Коефи­циент на концен-трация Кк	Коефи­циент на местна устой­чивост Кму	Статус
МI	Непроме­нени гра­нодио­рити R, II клас,RMR=68	Г	8,8	1,7	1,6	Устой­чи­вост
		Д	9,6	1,9	1,6
МV	Напукани гранодио-рити R4/R3, II-III клас, RMR=64	Г	1,3	1,1	1,3	Локална неус­той­чи- вост
		Д	1,7	1,42	1,3
МIIМIV	Промене­ни и из­ветрели гранодио­рити R3/4, III-II клас, RMR=60-62	Г	6,0	1,8	1,3	Локална неус­той­чи- вост
		Д	6,0	1,8	1,3

В таблицата са отразени само резултатите от моде­лирането за участъците МI, МV и МII  МIV, изградени от естествен скален масив. Резултатите са разпределени съответно на местоположението на зоните на концентрации, означени с Г – свод и Д – долнище на тунела.

Софтуерът Phase² изчислява автоматично векторите на мигновените (без наличието на крепеж) премествания, индуци­рани от прокарването на тунела. Те отразяват деформационното поведение на изграждащите конкретния участък скали. Тяхната големина и направление са различни и се определят от компонентите на действащите напрежения и свойствата на конкретния литоложки строеж, както това е видно от фиг. 25, 26 и 27, и табл. V.2.

Таблица V.2.

Деформационно поведение на вместващия тунелния изкоп масив

Харак-терис- тика Учас­тък	Литоло­гия, якостна и геомеха­нична категория	Макс. Верти­кална кон-вер­ген- ция, мм	Макс. хори-зон­тална кон­вер-ген­ция, мм	Ин­декс по на­прег-натост на ма­сива	Коефи-циент на формо- изме­нение	Мо­ментно нама­ление на сече­нието м2	Интен-зитет на дефор- мац. поведе-ние
МI	Непроме-нен гранодио-рит R, категория В Q = 14,39	0,34	0,58	1,72	-0,993	-0,15	среден
МV	Напукан гранодио-рит R4/R3, категория С Q = 9,23	0,18	0,45	1,31	-0,991	-0,12	мини-мален
МIIМIV	Променен и изветрял гра-нодиорит R3/4, категория С Q = 8,3	0,224	1,28	1,68	-0,973	-0,18	макси-мален

Б. Устойчивост на системата ВМ/ТТ, рискови фактори, механизъм на разрушаване при загуба на устойчивост
Едно от важните предимства в приложенията на параметричните изследвания при численото моделиране е възможността, която те дават за оценката на устой­чивост на системата вместващ масив/геоинженерно съоръжение (в случая ВМ/ТТ).

Анализите на устойчивостта на системата ВМ/ТТ по участъци става чрез определянето на FOS (Factor of stability), чрез емпиричния критерий на Хоек-Браун (HB) по схемата якостни изпитвания – геомеханични класификации – GSI индекс – критериална оценка на нивото и типа разрушение.

Резултатите от този анализ, са означени в червени кръгчета на фиг. 25, 26, 27 и са показани в табл. V.1. От тях е видно, че коефициентът на устойчивост за участък МI, по целия периметър на сечението има стойност 1,6. За участъци МV и МII  МIV коефициентът е 1,3, също за всяка част от сечението на тунела.

Анализът на стойностите на FOS показват, че разрушения по контурите на тунела в отделните му участъци няма да произтекат и това е отразено от нас в таблица V.1, където допускаме, че в участъци МV и МII  МIV е възможно появата на локални обрушавания, вследствие на нарастващата напуканост, в направление Ю-С, след 350^я метър от входа на транспортния тунел.

Основните групи рискови фактори, определящи условията за успешна реали­зация на проекта, съхранявайки устойчивостта на системата ВМ/ТТ са:

• 
  ФМС на скалите и структурните характеристики на масива;
  
• 
  напрегнатото състояние на неговото изменение при прокарването;
  
• 
  технологичните въздействия (напр. ПВР) върху горните групи, формиращи в своето взаимодействие НДС на системата, нейната устойчивост и цялост­ната геомеханична обстановка в района на транспортен тунел „Елаците“.
  

Склонността на скалите, изграждащи тунелна зона, по участъци, показана в табл. V.3, чрез прилаганите за тази цел критерии.

Таблица V.3.

Склонност на скалите към индуцирана сеизмичност и енергонасищане на вместващия масив

Крите- рии Участък изгражда- щи скали	Индекс по крехкост ВI	Якостен индекс RSI	Напре­женов индекс SI	Плътност на де­форма-ционна енергия SED [kJ/m3]	Обща оценка на нивото на индуци­рана сеизмич­ност
МI Непроме­нени гранодио­рити	10	0,24	12,5	0,05	много ниска
МV Промене­ни грано­диорити	7,3	0,33	9,0	0,05	много ниска
МIIМIV напукани гранодио­рити	6,8	0,08	38	0,04	много ниска

Обобщената оценка на НДС на системата ВМ/ТТ направена от нас е чрез оценката по метода напреженова траектория (Stress Path), използвана основно в минната и геотехническа практика на Канада, САЩ, ЮАР и др.

Конкретното приложение на метода за транспортния тунел Елаците е показано на фиг. 29.

Въз основа на натрупания опит от приложението на геомеханичната система за класификация RMR е създадена система от емпирични препоръки за първоначален, ориентиращ избор на система и начин на прокарване и за избор на крепежа на тунели, прокарвани в твърди скали, чрез ПВР за масива с напрежение до 25 МРа. Тя е приложена от нас, както бе отразено в табл. III.5 при следните условия:

• 
  прокарването и закрепването на тунела да съответства на указанията за клас III (задоволителни скали);
  
• 
  след първоначалните етапи на строителството и анализ на устойчивостта на тунела и прилагания крепеж, при положителна оценка, да се премине към облекчения режим за прокарване и крепене, съответстващ на клас II (добри скали).
  

Фиг. 29. Метод на напреженовата траектория (Stress Path Approach [75]) за НДС в участък MI

Фиг. 30. Анализ на устойчивостта на откоса чрез метода SSR, по критерия Мор-Кулон (МС)

Фиг. 31. Анализ на устойчивостта на откоси по метода SSR, чрез критерия на Хоек-Браун (НВ)

Фиг. 32. Анализ на устойчивостта на откоса чрез софтуера SLIDE 6,0

1. Съставена е комбинация от методи и техники, наречена за краткост методология, даваща възможност за комплексно геомеханично осигуряване на проектирането и строителството на тунели, прокарвани в скални масиви. Методологията е с йерархична структура, в която съставляващите я методи (лабораторни, аналитични и in situ) са логистично взаимнообвързани, така че да позволяват количественото определяне на всички необходими и достатъчни за целта, геомеханични и геотехнически параметри, съгласно препоръките и стандартите на ISRM и ITA AITES в направлението тунелостроене (Tunnelling). Структурата, съдържанието и обхвата на методологията позволяват приложението не само в предметната област, но и в миннодобивната индустрия и останалите сфери на геотехническото, урбанистично и енергетично строителство, предназначени за усвояване и утилизация на подземните пространства.

2. Извършено е усъвършенстване на известен метод за in situ определяне на напреженията, действащи във вместващия тунелната изработка скален масив, с повишена технологичност, производителност, качество и надеждност на експеримента. За осигуряването на по-висока точност, информативност и достоверност на резултатите от измерването, в усъвършенствания му вариант са въведени следните по-важни изменения:

• Съставена е и е приложена нова, многокомпонентна измерителна розетка, с увеличен брой независими измервания на преместванията, при увеличена база на измерване, което осигурява приложението на статистически подход при обработката на резултатите от експеримента.

• Въведено е пълно разтоварване на измерителната площадка, с което е повишена чувствителността на метода, съответно разширяващо областта му на приложение в разнообразни условия.

• Създадено и е комплектувано съответно допълнително оборудване, осигуряващо качеството и реализацията на експеримента.

3. Методологията, в пълната й комплексност е приложена за геомеханичното осигуряване на проекта и строителството на транспортния тунел КЕТ2 – КЕТ3 на рудник „Елаците“, при което са достигнати следните по-важни приложни резултати:

3.1. Проведени са комплексни лабораторни изследвания на образци от специално прокарани ядкови сондажи, пресичащи всички представени в района типове скали. При изпитванията са определени всички параметри, характеризиращи плътностните, якостните и деформационни свойства на литоложките разновидности, в условията на едномерно и обемно напрегнато състояние. Построени са пълните деформационни диаграми и са определени деформационните характеристики на скалите. Построени са паспортите на якост чрез критерия на Мор-Кулон, при едноосов и обемен натиск.

3.2. По данни от ядковите сондажи са определени RQD и характеристиките на структурната нарушеност на изграждащите скали. Допълнително са обработени резултатите от предхождащи конвенционални изследвания на напукаността, използвайки собствените изследвания като реперни, при което са определени структурните характеристики на целия масив, в обхвата на тунела.

3.3. Чрез приложението на двете класификационни системи RMR и Q е извършена оценка на геомеханическото „качество“ на масива и по неговата изменчивост той е разделен на четири специфични участъци. За определяне на задпределното поведение е определян и GSI, за всеки от участъците, чрез които са определени и параметрите на обобщения критерий на Хоек-Браун. Чрез софтуера на RocLab са определени взаимовръзките между двата посочени критерия с отчитане съвместното влияние на лабораторните и структурните свойства на скалите.

3.4. Извършени са комплексни изследвания за определянето на напрегнатото състояние на вместващия масив, чрез диагностични, експертно-аналитични и in situ методи, при което за първи път са определени генотипа, разпределението и магнитудите и ориентация на компонентите на напрежения, в отделните участъци и общо за находище „Елаците“.

3.5. Съставена е многомерна база данни за пълна геомеханична характеризация на масива в проблемната зона, съдържаща всички необходими за инженерните разчети и параметричните изследвания входящи характеристики.

3.6. Съставен е геомеханичен модел на системата Вместващ масив/ Транспортен тунел и са избрани методите за числено моделиране чрез софтуерите RocLab, Phase2 8.0 и SLIDE 6.0 са извършени параметрични изследвания на НДС на системата ВМ/ТТ, нейната устойчивост и реакцията на масива от технологията и етапите на прокарване, определяне и оценени са рисковите геомеханични фактори, прогнозирани са вероятна механизми на загуба на устойчивост и разрушение и съответствието между дадените емпирични препоръки за прокарване и поддържане на тунела в устойчиво състояние. Определена е и устойчивостта на откоса при входния портал чрез два независими метода за оценка.

Изпитваме приятното задължение да изразим своята благодарност към висшия мениджмънт на Елаците-мед АД, дружествата Хеликс, Геострой и отделни колеги, за оказаното ни съдействие в процеса на рудничните изследвания и предоставената ни изходяща информация.

1. Vutov V., V. Ivanov. Geomechanical Logistics of the construction of a transport tunnel at the “Elatsite” Mine, Bulgaria. I Symp.TIORIR’11, 2011, Zlatibor, Serbia.

2. Вутов Вл. Екологични аспекти при строителството на транспортен тунел КЕТ2/КЕТ3 на рудник „Елаците”. Годишник на МГУ, т.54, св.ІІ, 2011.

3. Вутов Вл., В. Иванов. Диагностика на НДС на масива в района на транспортен тунел КЕТ2-КЕТ3 на рудник „Елаците”. Годишник на МГУ, т.55, св.ІІ, 2012.

4. VUTOV V., IVANOV.V. METHODOLOGY FOR GEOMECHANICAL LOGISTICS OF DESIGN AND CONSTRUCTION OF A TRANSPORT TUNNEL AT “ELATZITE COOPER” MINE, BULGARIA. 5th BALKAN MINING CONGRESS, Macedonia, Ohrid, 2013.

5. Вутов Вл., В. Иванов. Геомеханична характеризация на скалите и вместващия масив, в района на транспортния тунел на рудник „Елаците“. „Минно дело и геология“, 2014/7-8