<![CDATA[ROmeka@RGF]]> http://romeka.rgf.rs/items/browse?tags=%D1%98%D0%B0%D1%87%D0%B8%D0%BD%D0%B0+%D1%82%D1%80%D0%B5%D1%9A%D0%B0&output=rss2 Thu, 06 Aug 2020 23:38:58 +0200 dalibor.vorkapic@rgf.bg.ac.rs (ROmeka@RGF) Zend_Feed http://blogs.law.harvard.edu/tech/rss <![CDATA[Нелинеарно динамичко моделовање потреса изазваних променом напонског стања при изради хоризонталних подземних просторија]]> http://romeka.rgf.rs/items/show/762

Dublin Core

Наслов

Нелинеарно динамичко моделовање потреса изазваних променом напонског стања при изради хоризонталних подземних просторија
Nonlinear Dynamical Modeling of Seismic Events Induced by Stress Change Due to Excavation of Horizontal Underground Chambers

Аутор

Костић Срђан

Предметна одредница

потрес
напонско стање
подземне просторије
бифуркације
временска серија
детерминистички хаос
стохастичност
пертурбације
временско кашњење
јачина трења
seismic event
stress
underground chambers
bifurcations
time series
deterministic chaos
stochasticity
perturbations
time delay
frictional strength

Издавач

Универзитет у Београду - Рударско-геолошки факултет

Друга одговорна лица

Трајковић Слободан
Гојковић Небојша
Јевремовић Драгутин
Бурић Никола

Опис

У овој дисертацији, циљ истраживања био је одређивање динамичких својстава потреса изазваних променом напонског стања при изради хоризонталних подземних просторија. Анализа потреса изведена је са два аспекта – у првом делу истраживања изучаване су временске серије осциловања тла за време потреса, а у другом делу вршена је анализа стабилности феноменолошког Бариџ-Кнопоф модела блока са опругом. Временске серије осциловања тла проучаване су применом поступка анализе сурогат података, као и коришћењем метода анализе нелинеарних временских серија (примена теореме о развијању скаларне временске серије). Анализа временских серија изведена је за потресе изазване реактивирањем кретања дуж раседа услед напредовања рударских радова, регистрованих на три локације (рудника) у Пољској: рудници бакра Рудна и Легниц-Глогов, и рудник угља Горња Силезија. Резултати изведене анализе показали су да регистроване временске серије осциловања тла у правцу север-југ и у вертикалном правцу припадају нелинеарним временским серијама, док осциловања тла у правцу исток-запад припадају класи стационарних стохастичких процеса са Гаусовом расподелом стохастичког дела, који могу бити модификовани непознатом нелинеарном функцијом. Међутим, иако су осциловања тла у правцу север-југ и у вертикалном правцу нелинеарна, применом теореме о развијању потврђена је њихова стохастичка природа, и то малом вредношћу детерминистичког фактора κ (<1) и ниском грешком унакрсног предвиђања код теста стационарности. У другом делу истраживања, вршена је анализа стабилности кретања неколико варијанти Бариџ-Кнопоф модела, и то: Мадариага модела једног блока са Дитерих-Руина законом трења зависним од брзине и стања, потом Карлсон-Лангер модела са једним и два блока и са законом трења зависним само од брзине, као и Бекер модела са једним блоком, Дитерих-Руина законом трења зависним од брзине и стања и са две променљиве стања. Анализа стабилности изведена је нумеричким и аналитичким путем. Нумерички је извршена анализа стабилности Карлсон-Лангер и Бекер модела, посматрањем понашања решења у близини равнотежног стања, док је у случаја Мадариага модела, бифуркациона анализа изведена аналитички (стандардна локална бифуркациона анализа), а резултати су потврђени нумерички у програмском пакету ДДЕ-БИФТООЛ. Анализа динамике ових модела вршена је у условима промене уведених параметара и то: параметра јачине трења ц у Карлсон-Лангер моделу, као и параметра временског кашњења τ у изразу за трење у Карслон-Лангер и Мадариага моделу. Поред тога, динамика модела је осматрана и за периодичну пертурбацију појединих параметара система, у Мадариага и Бекеровом моделу. Оправдање за увођење нових параметара, као и за њихову осцилаторну промену може се пронаћи у следећем. Параметар временског кашњења τ на квалитативан начин моделује ,,закаснели’’ утицај напредовања ископа подземне просторије и промене напонског стања на реактивацију кретања дуж раседа. Такође, овим параметром се описује утицај стања површи контакта између блока и храпаве подлоге на динамику кретања. Параметар јачине трења ц везан је за инхерентна својства раседне површи – дебљину раседне зоне, њену дубину, минерални састав и својства минерала, и сл. Периодична пертурбација параметара одражава утицај напредовања рударских радова на реактивирање кретања дуж раседа и појаву сеизмичке активности (вибрација рударских машина, ефекти минирања, и сл.). Изведена анализа је показала да, са уведеним временским кашњењем, изучавани модели показују детерминистичко хаотично понашање, које представља типичну (генеричку) појаву у Мадариага моделу, док се, у Карлсон-Лангер моделу јавља само као транзијентна појава. Неопходно је нагласити да увођење временског кашњења, осим индуковања комплекснијег понашања, може узроковати и стабилизацију кретања блока, и његов повратак у равнотежно стање (осцилаторна смрт). У погледу понашања система при периодичној пертурбацији параметара, и у Мадариага и у Бекер моделу, оваква промена изазива појаву детерминистичког хаотичног понашања, и то за много мање вредности параметара у односу на вредности добијене претходним истраживањима. При томе, генерисање комплексног понашања уочено је при осцилацијама малих амплитуда, што одговара могућем утицају напредовања рударских радова (вибрација рударских машина, и сл.). Такође, комплексна динамика система осматрана је за вредности фреквенција осцилација које су блиске фреквенцији осцилација блока у непертурбоавном стању. Другим речима, до реактивирања кретања дуж раседа може доћи и услед осцилација чије су амплитуде мале, а фреквенције приближно исте са фреквенцијом асеизмичког кретања дуж раседа. Опште посматрано, изведено истраживање је показало да је временски интервал између ископа подземне просторије, промене напонског стања и реактивирања кретања дуж раседа од кључне важности за карактер динамике кретања дуж раседа. Неопходно је нагласити да се привидни несклад између стохастичке природе осцилација тла за време потреса и детерминистичког хаотичног модела механизма настанка потреса може објаснити чињеницом да процеси настанка потреса и кретања таласа кроз Земљину кору представљају дисипативне процесе. Дакле, при настајању потреса, један део енергије се троши на савлађивање трења дуж раседа, фрикционо загревање, и др., док само мали део бива емитован у виду сеизмичких таласа. Потом се енергија тих таласа, пре регистровања на површини терена, расипа на свом путу кроз Земјину кору, услед сложених тектонских односа, геолошке грађе, морфолошки изражених структура, дисторзије таласа на том путу, и сл. Изведено истраживање представља чврсту основу за наставак даљих истраживања, кроз примену савремених технологија и повећањем броја осматрачких станица, са једне стране, као и кроз успешнију анализу добијених података и понашања предложених феноменолошких модела, са друге стране.
In this dissertation, the aim of the research was to determine the dynamics of seismic events induced by the stress change due to excavation of horizontal underground chambers. The conducted analysis was twofold – in the first part of the research, time series of strong ground motion during the seismic event are analyzed, while in the second part, the stability analysis of phenomenological Burridge-Knopoff spring-block model is conducted. For this purpose, different methods are engaged. The time series analysis was performed using the surrogate data testing and nonlinear time series analysis (delay embedding theorem). These analyzes were performed for the strong ground motion recordings at three different mines in Poland: copper mines Rudna and Legnic-Glogov and coal mine Upper Silezia. In all the examined cases, the results of the analysis indicated that the time series of strong ground motion in north-south and vertical direction, induced by the excavation of underground chambers, belong to nonlinear processes, while the strong ground motion in east-west direction belongs either to a class of stationary linear stochastic processes with Gaussian inputs, or to a class of stationary Gaussian linear processes transformed by some nonlinear function. The nonlinear time series analysis confirmed stochastic nature of strong ground motion, recorded in all directions, by performing the deterministic test (κ<1) and stationarity test (low cross-prediction error). In the second part of the research, the stability analysis is performed for several types of the Burridge-Knopoff model: for Madariaga single-block model with Dieterich-Ruina rate and state dependent friction law, for Carlson-Langer model with one and two blocks and velocity dependent friction law, and for Becker single-block model with Dieterich-Ruina rate and state dependent friction law and two state variables. The stability analysis for these models is conducted numerically and analytically. The numerical analysis was performed for Carlson-Langer and Becker model, by applying the Runge-Kutta fourth-order method. In the case of Madariaga model, the analysis is performed analytically (standard local bifurcation analysis), and the results are later confirmed numerically, using the DDE-BIFTOOL software package. The analysis of the dynamics of the models under study is performed under the perturbation of the introduced parameters: frictional strength parameter c in Carlson- Langer model, and time delay parameter τ in Carlson-Langer and Madariaga model. Besides this, dynamics of the model is observed for periodic perturbation of parameters in Madariaga and Becker model. The motivation for the introduction of new parameters, and their periodic or linear perturbation is following. Firstly, time delay parameter τ qualitatively describes the delayed effect of the underground chamber excavation, and, consequently, stress change, on the movement reactivation along the fault. Secondly, frictional strength parameter c describes the inherent properties of the fault zone – its width, depth, mineral composition, etc. Thirdly, periodic perturbation of parameter values mimics the mining effect (mining equipment vibrations, blasting effects, etc.). The performed analysis shows that, by including the time delay, models under study show deterministically chaotic behavior, which represents generic feature of Madariaga model, while, in Carlson-Langer model, it only appears as a transient feature. It is necessary to emphasize that, besides the more complex behavior, introducing time delay could induce the transition from periodic to equilibrium state, suppressing, in that way, fault motion, and, consequently, the seismic activity. On the other hand, frictional strength parameter c only destabilizes the block motion in Carlson-Langer model, by inducing the onset of periodic or quasi-periodic motion. Regarding the periodic perturbation of control parameters, both models, Madariaga and Becker, exhibit, in this case, deterministically chaotic behavior, for the much smaller parameter values in comparison to some previous research. Moreover, complex dynamical behavior arises due to small amplitude perturbations, which corresponds well to the effect of mining (mining equipment vibrations, blasting effects, etc.). In the same time, perturbation frequencies are similar to the frequency of block oscillation in an unperturbed state. In other words, the reactivation of motion along the fault is possible under the effect of small apmplitude oscillation, with frequencies approximately the same as the frequency of aseismic creeping. Generally, the performed research showed that the time delay among the excavation of underground chambers, stress change and fault reactivation is of primary importance for the motion dynamics along the fault. It is necessary to emphasize that the apparent incompatibility between the stochastic nature of the strong ground motion during the seismic event and its model of nucleation could be explained by the fact the both the process of nucleation and propagation of seismic waves represent dissipative systems. In other words, in the process of seismic nucleation, one part of energy is ‘’spent’’ to overcome friction, in the process of friction heating, etc, while only a part of energy is released in a form of seismic waves. These waves travel through the Earth’s crust, and dissipate the energy due to complex tectonics, geological composition, various morphological structures, distortion of seismic waves, etc. The performed research represents solid ground for the further exploration in the area of mining induced seismic events, by applying modern technology and increasing the number of seismological stations, on one side, and through more accurate analysis of obtained data and the behavior of the suggested phenomenological models, on the other side.

Датум

Права

Ауторство-Некомерцијално-Делити под истим условима 3.0 Србија (CC BY-NC-ND 3.0)

Формат

pdf

Језик

српски

Врста извора

text
DD_Kostic Srdjan.pdf
]]>
Sat, 08 Apr 2017 17:22:31 +0200