На правах рукописи

СУРУНОВ НИКОЛАЙ ФЁДОРОВИЧ ПРОГНОЗ ВЛИЯНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ БЛОКОВЫХ СТРУКТУР НА НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВОВ И МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕ ИЗ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Кемерово - 2006 2

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Иванов Вадим Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гоголин Вячеслав Анатольевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник Кочетков Валерий Николаевич Ведущая организация - ОАО Кузбассгипрошахт

Защита диссертации состоится л 19 октября 2006 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.02 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет по адресу: 650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет.

Автореферат разослан л 2 сентября 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, докт. техн. наук, проф. Иванов В.В.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Геодинамические процессы, протекающие в недрах Земли и на её поверхности, негативно влияют на многие сферы жизни и деятельности человека. Особенно сильно проявляется отрицательное воздейс твие этих процессов при разработке месторождений полезных ископаемых. В шахтах и рудниках многих горнопромышленных районов мира происходят динамические явления, сопровождающиеся внезапными выбросами угля, породы и газа, горными ударами, техногенными землетрясениями. Подобные явления наблюдаются также на угольных месторождениях России, в том числе и в Кузбассе, они приводят к снижению рентабельности горнодобывающих предприятий и опасны для жизни и здоровья работающего персонала.

Существующая расчленённость земной коры на блоки различных масштабных уровней свидетельствует о том, что решение вопросов геодинамической безопасности при освоении недр и земной поверхнос ти находится в области исследований взаимодействия блочной с труктуры территории с техногенной деятельнос тью человека. Повышенная сейсмичность южных районов Кузбасса, концентрация открытых и подземных горных работ и техногенное воздейс твие на природные процессы приводят к возрастанию числа опасных для людей динамических явлений и усилению их проявлений. Сложность и многоаспектность этих проблем требует комплексного подхода к их решению.

Обязательный учёт влияния геодинамических процессов и блочного строения Земли при проектировании, строительс тве и эксплуатации горнодобывающих предприятий позволил бы избежать многих отрицательных последствий динамических явлений. Своевременный прогноз опасности и успешное предупреждение горных ударов, внезапных выбросов угля, породы и газа возможны, если знать условия их возникновения. Для определения этих условий необходимы, прежде всего, информация о блоковом строении территории, количес твенная оценка действующих в блоках сил, описание напряжённого состояния, вызванного этими силами, и выяснение причин, нарушающих их равновесное напряжённое состояние.

В нас тоящее время отсутствуют сведения о блочном строении территорий промышленной и хозяйственной деятельности человека, разрабатываемых месторождений полезных ископаемых и участков проектируемых шахт, не произведена количественная оценка напряжённо-деформированного состояния блоков, не разработан метод определения дополнительного газовыделения в горные выработки при сейсмическом воздействии на блоки. Решение этих вопросов позволит повысить безопасность и эффективность на всех этапах освоения месторождений полезных ископаемых.

Поэтому прогноз влияния геодинамической активнос ти блоковых структур на напряжённо-деформированное состояние массивов и метановыделение из угольных плас тов является актуальной научной и практической задачей.

Нас тоящая работа содержит результаты исследований, выполненных автором в 2000 - 2006 гг. в соответс твии с заказом администрации Кемеровской области по темам НИР № 103/2000 и № 320/2004.

Целью работы является разработка и обоснование метода прогноза влияния геодинамической активности блоковых структур на напряжённодеформированное состояние массивов и метановыделение из угольных пластов на основе анализа карт блоковых структур региона и регис трации их современных движений.

Основная идея работы заключается в использовании закономерностей смещения блоков для прогноза влияния их геодинамической активнос ти на напряжённо-деформированное состояние массивов и метановыделение из угольных пластов, расположенных в пределах данных блоковых структур.

Задачи исследований:

- выявить блочное строение 1 - 4 рангов территорий угольных месторождений и участков вновь проектируемых шахт для определения напряжённодеформированного состояния блоков с целью повышения безопасности эксплуатации горнодобывающих предприятий;

- оценить степень однородности деформаций блоков 4 ранга, приращения главных компонент деформаций и напряжений блоковых структур по результатам геодезических наблюдений их среднегодовых смещений;

- разработать метод прогноза влияния геодинамической активности блоковых структур на газовыделение в действующие выработки шахт.

Методы исследований:

- метод морфос труктурного анализа рельефа земной поверхности для выявления закономерных связей между рельефом и внутренним строением Земли;

- метод геодинамического районирования для определения блочного строения территории месторождения;

- картографический анализ и сопос тавление различных материалов, характеризующих геодинамическое состояние территории месторождения;

- методы механики деформируемого твёрдого тела и геомеханики при моделировании газовыделения из угольных пластов и при оценке деформаций и напряжений блоковых структур.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

- блоковые структуры 4 ранга, выявленные на этапе проектирования шахт, являются основой возведения в безопасных мес тах наземных и подземных сооружений и выработок, а также рационального размещения пунктов наземной геодезической сети для проведения повторных нивелировок и количественной оценки напряжённо-деформированного состояния блоков;

- деформации блоков 4 ранга являются однородными, а приращения величин главных напряжений блоков 4 ранга при их сейсмической активизации находятся в пределах 10,8 - 12,0 МПа и сравнимы со значениями снимаемых при крупных землетрясениях напряжений, которые лежат в диапазоне 10 - 100 МПа;

- резонансные колебания блоков 4 ранга, являясь следствием различных сейсмических событий природного и техногенного характера, вызывают дополнительное выделение газа до 300 тыс. м3 в горные выработки, увеличивая опасность взрывов метана и загазования шахты, а колебания блоков более высокого ранга (1 - 3 рангов), могут приводить к выделению дополнительно десятков миллионов кубических метров метана.

Научная новизна работы заключается:

- в разработке методики выявления блоковых структур и определении свойств и функций линий разломов при разномасштабных исследованиях блочного строения территорий;

- в установлении однороднос ти деформаций блоков 4 ранга, в оценке приращения величин главных напряжений блоков 4 ранга, обусловленных их медленными вековыми тектоническими движениями;

- в выявлении влияния резонансных колебаний блоков 4 ранга под действием различных сейсмических событий природного и техногенного характера на дополнительное выделение газа в горные выработки.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- использованием основных положений теории тектоники плит, достоверность которой была подтверждена большим количеством экспериментальных исследований и инс трументальных наблюдений, выполненных рядом учёных;

- применением метода выявления блоковых структур по рельефу, положительно зарекомендовавшего себя при решении различных задач в некоторых отраслях народного хозяйства;

- хорошей сходимостью полученных результатов геодинамического районирования территории Егозово-Красноярского месторождения с изысканиями ПГО Запсибгеолсъёмка и данными шахтных наблюдений;

- использованием классических методов механики деформируемого твёрдого тела и геомеханики.

ичный вклад автора заключается:

- в раскрытии значений применяемых в геодинамике недр терминов, позволивших уточнить объект и предмет исследований;

- в усовершенствовании методических приёмов и способов выявления блоковых структур по топографическим картам;

- в выявлении блочного строения 1 - 4 рангов территории Кемеровской области, Егозово-Красноярского месторождения, Колмогоровского участка, поля первоочередной шахты;

- в определении учас тков шахтного поля, где высока вероятность возникновения опасных динамических явлений при инженерных работах на шахте;

- в полученных результатах расчёта главных компонент деформации блоков земной коры по данным геодезических измерений их среднегодовых смещений и результатах моделирования газовыделения из угольных пластов при сейсмической активизации блоков;

- в разработке комплексной методики проектирования шахт и шахтных полей на основе результатов геодинамического районирования месторождений.

Научное значение работы заключается в расширении предс тавлений о напряжённо-деформированном состоянии блоковых структур в процессе их вековых движений и оценке влияния сейсмических волн на газоопасность угольных пластов.

Практическая ценность работы:

- получены схемы блочного строения месторождения, использование которых существенно повышает обоснованнос ть и надёжность практических решений как по размещению и с троительству подземных и наземных сооружений шахтного комплекса, так и по выбору способа, параметров и технологии разработки месторождений полезных ископаемых, вследствие чего повышается безопасность работ, улучшаются технико-экономические показатели горного предприятия;

- подтверждена однородность деформаций для блоков 4 ранга и произведена количественная оценка напряжений на участках шахтных полей, попадающих в эти блоки, используя результаты геодезических измерений их среднегодовых смещений, способствующая принятию оптимальных проектов строительства и эксплуатации шахт и безаварийной отработке шахтных полей;

- получены результаты моделирования газовыделения угольных пластов при сейсмическом воздействии на блоковые структуры земной коры;

- разработаны рекомендации по проектированию шахт и шахтных полей на основе учёта результатов геодинамического районирования, повышающие эффективность и безопаснос ть освоения угольных месторождений.

Реализация работы. Положения, разработанные в диссертации, были реализованы в следующих работах.

Временные методические указания по выявлению блоков земной коры по картам и расчёту главных компонент их деформации на основе измерений смещения пунктов геодезической сети. - Кемерово: КузГТУ, 2005. - 46 с. Данные указания приняты к производству инс титутами ОАО Кузниишахтострой и ОАО Кузбассгипрошахт, а также предназначены для инженерно-технических работников шахт и разрезов, отраслевых институтов, занимающихся проблемами проектирования и строительства горнодобывающих предприятий, проблемами прогноза газодинамических явлений и горных ударов, аспирантов и студентов горных специальнос тей.

Выявление блоков земной коры по топографическим картам. Методические указания к проведению практических занятий по курсу Механика блочных структур для студентов специальности 070600 Физические процессы горного производства. Они используются в учебном процессе в ГУ КузГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции в рамках выставки Уголь России и майнинг (Новокузнецк, 2004г.), на научных симпозиумах Неделя горняка (Москва, 2005, 2006 гг.), на ежегодных научнотехнических конференциях преподавателей, аспирантов и студентов ГУ КузГТУ (Кемерово, 2000 - 2005 гг.).

Экспонат - научная разработка Геодинамика и безопасность жизнедеятельнос ти территорий, подготовленный с участием автора диссертации, награждён Дипломом II степени Международной выставки-ярмарки Экспо-Сибирь (Кемерово, 2002 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 168 страницах машинописного текс та и содержит 36 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 149 наименований, 3 приложения.

Автор выражает искреннюю благодарнос ть и признательность научному руководителю д.т.н., проф. В.В. Иванову за постоянное внимание и методическую помощь в проведении исследований, ценные советы, замечания и новые идеи, реализация которых способствовала успешному выполнению данной работы, к.т.н., доц. Бузуку Р.В. за консультации и полезное обсуждение результатов исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы влияния блоковой структуры на шахтное строительс тво и разработку месторождений полезных ископаемых.

Человеческое общество на протяжении своего существования постоянно сталкивается с опасными для человека природными явлениями (землетрясения, наводнения, тайфуны и др.). Оно также, нарушая течение природных процессов в ходе промышленного освоения территорий, само способствует возникновению ситуаций, наносящих ущерб и обществу, и природе (человеческие жертвы, экологические катастрофы, экономические потери). Особенно это наблюдается при освоении недр, где в обострённой форме проявляются многие проблемы, обусловленные блоковым строением земной коры, требующие своего разрешения.

В последние годы решением проблемы борьбы с динамическими явлениями на шахтах и рудниках занимается новая отрасль науки Геодинамика недр (И.М.

Петухов, И.М. Батугина), созданная на основе обобщения знаний наук о Земле, фундаментальных и технических наук.