Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2013, № 10 (спецвып.)

УДК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ш62 

550.3:622.33:622.83 
Ш62 
 
 
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 
29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной 
службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия
человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.12 
 
 
 
 
 
Шинкарюк В.А. 
Прогнозирование устойчивости горного массива в процессе

проходки горных выработок: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск). — 2013. — № 10. — 8 с.— М.: издательство «Горная книга». 

ISSN 0236-1493 
 
Рассмотрены принципы прогноза параметров устойчивости массива 
на основе сейсмических технологий в системе процессов мониторинга
строительства подземных сооружений с учетом инженерно-геологических условий. Акцентируется внимание на некоторых важных и специфических особенностях в структуре реального распределения компонент 
напряженно-деформированного состояния, которые были выявлены в
процессе проходки тоннелей. 
Ключевые слова: горный массив, напряженно-деформированное состояние, инженерно-геологический процесс, горные выработки. 

УДК 550.3:622.33:622.83

 
 
 
 

© В.А. Шинкарюк, 2013 
©  Издательство «Горная книга», 2013 
ISSN 0236-1493 

©  Дизайн книги. Издательство  
«Горная книга», 2013 

 
 

Во время проходки горных выработок, как например строительство транспортных тоннелей в пределах г. Сочи, в связи с 
особенностями районов работ возникает необходимость проводить для безопасной проходки тоннелей горный мониторинг с 
целью выяснения опасных участков. 
С этой целью устанавливаются закономерности изменения 
компонент суммарного поля напряжений от структуры, 
свойств и состояния горного массива при оперативном инженерно-геологическом сопровождении строительства подземных сооружений (тоннелей, шахт и т.п.). Наиболее перспективными возможностями в этом направлении являются сейсмические методы исследований, основанные на регистрации 
отраженных волн в широком частотном диапазоне. При этом 
основой общего прогноза упругих моделей и параметров напряженно-деформируемого состояния (НДС) является прямая 
физическая функциональная связь компонент малого и большого тензоров напряжений. 
Структура модели системы «геологическая среда – подземная выработка» состоит из модели структуры и свойств массива, 
сейсмических параметров, инженерно-геологических параметров 
и проектного и фактического местоположений выработок. На основе всех данных мы создаем горно-геологическую модель, на 
основе которой, решаем геомеханическую задачу (рис. 1). 
Имея фоновый инженерный разрез и сейсмические параметры, полученные сейсмолокацией на забое, формируем исходную 
базу для решения геомеханической задачи. 
Решая прямую геомеханическую задачу определяем компоненты НДС для фона, а после, используя упругие модули, полученные при сейсмолокации и при опробовании на забое, решаем 
задачу с новыми параметрами и определяем разность. Таким образом мы получаем дополнительные напряжения и деформации в 
окрестностях выработки. Величины этих деформаций служат основой для определения нормативных категорий устойчивости 
горного массива. 
Для решения задачи необходимо создать модель горного 
массива для варианта строительства тоннелей в рассматриваемых 
инженерно-геологических условиях. Также необходимо моделирование анкерной крепи и обделки тоннелей. 

Рис. 1. Структура модели системы «геологическая среда – подземная выработка» 

При проведении геотехнических расчетов необходимо наличие основных моделей грунтов для имитации нелинейного и нестационарного поведения грунтов. Из имеющихся типов используется модель Мора-Кулона, т.к. эта нелинейная модель базируется на параметрах грунта, которые в большинстве случаев известны. 
На основе данных сейсморазведки получаем необходимые 
параметры свойств горных пород – модуль Юнга, коэффициент 
Пуассона, а также используем известные параметры плотностей 
горных пород, удельного сопротивления и угла внутреннего трения, которые входят в состав модели грунтов Мора-Кулона.  
 

 
 
Рис. 2. Распределение эффективных напряжений в окрестности забоя тоннеля 3а 

Рис. 3. Модель внедрения горизонтальной выработки в массив и критерии состояния его устойчивости (ближняя зона забоя) 
 
На основе модели Мора-Кулона в специальном программном 
обеспечения «Plaxis» выполняется построение фоновых моделей 
горного массива – без горизонтальной выработки и с ней, с последующим заполнением таблицы свойств горных пород. Следующим 
этапом идет расчет деформаций и компонент НДС. На рис. 2 показано распределение компонент напряжений по фрагменту этой модели в непосредственной близости от забоя тоннеля 3а. 
После расчета деформаций и компонент НДС, осуществляется перевода таблиц  напряжений в GRID-файлы программы 
«Surfer», в которой и высчитываются добавочные горизонтальные и вертикальные напряжения, входящие в состав критерия устойчивости (рис. 3). 
Коэффициент Пуассона это функция зависимости от дискретности среды и напряжений. В горизонтально слоистой среде с дискретной структурой в процессе проходки горной выработки в его 
ближней окрестности формируются блоки с аномальным распре 
делением добавочных напряжений. 

Рис. 4. Пример расчета геомеханических разрезов (поперечные сечения по  
компонентам напряжений) для критического положения забоя с данными 
мониторинга дополнительных напряжений (график) по датчику линейных 
деформаций, установленного в крепь 
 
На контакте блоков развивается зона дезинтеграции массива, в пределах которой производная компонент напряжений терпит разрыв, 
что способствует образованию множества вертикальных границ отрыва, упорядоченный ансамбль которых формирует в окрестности 
забоя тоннеля систему вертикальных зон высокой проницаемости с 
аномально низкими упругими модулями. Устойчивость горной выработки должна соответствует выражению: отношение горизонтальных напряжений к вертикальным должно быть меньше 0,85. 
В результате сейсмического контроля должно быть выявлено  
аномальное распределение напряжений в передней и задней полусферах забоя тоннеля, что определяет возможность прогнозирования вероятности проявления опасных геодинамических процессов.  

Рис. 5 Горизонтальная компонента деформации в вертикальном сечении по оси тоннеля 
 
 

Сейсмический контроль должен сопровождаться теоретическим моделированием распределения напряжений с максимальным учетом упругих и структурных параметров конкретного геологического разреза. 
На рис. 4 приведен пример расчета компонент напряжений в 
плоскости поперечного сечения тоннеля по данным инженерногеологического районирования с последующей коррекцией параметров по данным сейсмолокации.  
На рис. 5 визуализирована трехмерная модель тоннеля с расчетной горизонтальной компонентой деформации в вертикальном 
сечении по оси тоннеля построенная в программном комплексе 
«Micromine». 
Расчет выполнен в программном комплексе «Plaxis» на основе модели вязкоупругой среды (модель Мор-Кулона) в режиме 
NATM с временной крепью арками и набрызгбетоном. Данное 
сечение по трассе тоннеля 6а в г. Сочи выбрано не случайно – 
именно на этом пикете прогнозировалась и, в конечном счете, 
сложилась аварийная ситуация в виде сильной деформации крепи. На графике (левый фрагмент рисунка) дополнительных напряжений, фиксируемых датчиком линейных деформаций, установленного  в крепь, в течении 4-х месяцев напряжения сжатия 
после начального периода стабилизации стали неуклонно расти 
до критического уровня (до 140 МПа при расчетном пределе 
прочности балки 200 МПа), что вызвало появление трещин в крепи и ее сильной деформации.  

CONTENT 
 
Şincariuc V.A. PREDICTING THE STABILITY OF THE ROCK MASS IN 
UNDERGROUND DEVELOPMENT...........................................................................3 
The principles of sustainability parameters prediction based on seismic array technology in 
the process of monitoring of underground construction including engineering and geological 
conditions. Attention is focused on some important and specific features in the structure of the 
real distribution of the component of stress-strain states, which were identified in the process 
of tunneling . 
Key words: mining, the stress- strain state, engineering and geological process mining. 
 

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ 

 
Шинкарюк Владислав Александрович – ассистент, Уральский государственный 
горный университет, p231@bk.ru].