Geum.ru

Удк 622. 831: 622. 502 551. 14 550343. 4 Совершенствование методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород в целях повышения экологической безопасности освоения недр и земной поверхности

Вид материалаАвтореферат диссертации
Подобный материал:
1   2   3   4
Третья часть диссертации (главы 8 - 11) посвящена установлению закономерностей проявления геодинамической опасности и доказательству 3 - 5 научных положений диссертации.

В глава 8 дано обоснование тектонофизической модели очага горно-тектонического удара и землетрясения при затоплении шахт, а также закономерности нарастания опасности их проявления от участков 2-й к участкам 4-й степеней геодинамической опасности (третье научное положение).

Исследованиями автора в 1983-86 годах на шахтах СУБРа, 1992-93 годах на шахтах Бейпяо было установлено соответствие направлений подвижек при горно-тектонических ударах по мелким тектоническим нарушениям техногенному полю напряжений, связанному с ведением горных работ, а по крупным тектоническим нарушениям - современному тектоническому полю напряжений. Для объяснения этих фактов автор использует известное (В.А. Смирнов, и др.) соотношение между размерами области подготовки горного удара R и размерами его очага r, R/r = 5-10.

Размеры очагов горно-тектонических ударов, установленные автором по результатам изучения разрушений горных выработок и следов смещений на сместителях нарушений, составляли на СУБРе более чем 200 метров по простиранию и несколько горизонтов по восстанию; на ЮУБРе, шахта Кургазакская (1990), - не менее 300 метров; на шахте Бейпяо в КНР – первые сотни метров. Если принять по фактическим данным размеры r очага в первые сотни метров, то размеры области R, в которой происходила подготовка горно-тектонического удара, составят уже первые километры, что соизмеримо с блоками земной коры IV ранга на этих месторождениях, участвующих в самостоятельных тектонических движениях. Это доказывает, что в подвижках крыльев крупных нарушений при горно-тектонических ударах реализуется процесс тектонических движений блоков земной коры соответствующего ранга. Измененное горными работами поле напряжений имеет более низкий масштабный уровень и может вызывать подвижки только по соответственно более мелким нарушениям и с меньшим выделением энергии. Поэтому направление подвижки по сместителям крупных нарушений увязывается с направлением тектонических сил в регионе, несмотря на влияние измененного от ведения горных работ поля напряжений. Эти наблюдения и представления о механизме горно-тектонического ударов изложены автором в работах /Батугин, Воинов, 1986; Батугин, 1994; Батугин, 1996; Прогноз, 1997 и др./.

Для доказательства закономерности нарастания опасности горно-тектонических ударов рассмотрены особенности их проявления на участках земной коры 4, 3 и 2-й степеней геодинамической опасности.
  • На угольном месторождении Бейпяо, расположенном на участке 4-й степени геодинамической опасности, в результате геодинамического районирования установлено, что максимальное сжатие действует в субгоризонтальной плоскости по азимуту 2550 (рис. 5). Вертикальной осью является ось промежуточных напряжений. В этом современном поле напряжений крупные нарушения № 8 и 9 северо-восточной ориентировки испытывают тенденцию к правому сдвиганию, а нарушение №10 северо-западной ориентировки – к левому (рис. 5 в).

По этим нарушениям, уходящим за границы шахтного поля, неоднократно отмечались подвижки их крыльев при горно-тектонических ударах. Результаты обследования сместителей нарушений № 8, №9, №10 показали, что они испытывали реверсивные подвижки при горно-тектонических ударах, не считавшиеся с их прежней тектонической кинематикой, и направление подвижек подчинялось современному полю напряжений. Нарушение №10 работало как левый сдвиг (амплитуда смещения до 17 см), нарушения №9 и №8 – как правые сдвиги (амплитуда смещения 8-9 см). У всех нарушений во время горно-тектонического удара двигалось только одно из крыльев – то, породы которого могли смещаться в выработанное пространство.

Таким образом, для этого месторождения, находящегося на участке земной коры 4-й степени геодинамической опасности, отмечаются явления: во-первых, смещения крыльев крупных различно ориентированных нарушений происходят вдоль сместителей по направлениям, соответствующим ориентировке максимальных касательных напряжений современного тектонического поля в их плоскостях. Во-вторых, эти подвижки происходят в направлениях, которые не считаются с направлениями предыдущих тектонических смещений, т.е реализуются даже при высоких коэффициентах трения по сместителю. Это возможно при высоком запасе энергии в массиве и является, по мнению автора, характерной чертой участков 4-й степени геодинамической опасности.

На Североуральском бокситовом месторождении (участок 3-й степени по геодинамической опасности) напряженное состояние характеризуется субгоризонтальным направлением оси максимального сжатия с соотношением max/min=2,5. Для Североуральского бокситового месторождения по результатам авторских и других исследований устанавливается унаследованное поле напряжений, т.е. тектоническая структура месторождения уже подготовлена к деформированию массива путем смещений блоков пород по существующим нарушениям. Результаты исследований показывают, что направления смещений по мелким внутриблоковым нарушениям при горных ударах распределены хаотично и подчиняются техногенному полю напряжений. Однако для крупных тектонических нарушений, соизмеримых с границами блоков IV ранга или являющихся этими границами, установлено соответствие направления смещений при четырех горно-тектонических ударах (в период 1984-86 гг) направлениям имевшихся на них штрихов и борозд скольжения (табл. 2).

В современном поле напряжений нарушение 25-25, например, работает как правый сдвиг, нарушения 31-31 и 32-32 работают как правые взбросо-сдвиги, Восточный сброс испытывает тенденцию к взбросовому смещению крыльев (рис. 5, а, б). При горно-тектоническом ударе 5.10.84 г. по этим нарушениям произошли подвижки: по нарушению 31-31 висячее крыло нарушения переместилось на горизонте -320 м на 5 см вверх и на 3-4 см на восток, т.е. произошла правосдвиговая подвижка со взбросовой составляющей вдоль ранее существовавших штрихов и борозд скольжения; по Восточному сбросу регистрировались взбросовые перемещения; по нарушению 25-25 произошла правосдвиговая подвижка подвижка на 7 см также в направлении ранее существовавших штрихов и борозд скольжения. То есть подвижки по крупным нарушениям произошли в направлении касательных напряжений тектонического поля напряжений регионального уровня. Кроме этого, некоторые из крупных тектонических нарушений, являясь границами блоков IV ранга, выходят на земную поверхность и поглощают поверхностные воды.


Таблица 2

Сопоставление ориентировки следов скольжения на крупных нарушениях до и после горно-тектонических ударов на СУБРе, шахта 15-15 бис.
Место наблюдения, название дизъюнктива
Угол склонения штрихов скольжения на сместителе,

Различие в ориентировке

«старые» следы скольжения
После подвижки при горно-тектоническом ударе
Угол


аз.пад/

уг.пад

1
Граница блоков 1-1 (нарушение 25-25)
25
10
15
28/20

2
2-й Северный сброс
115
125
10
12/16

3
Граница блоков 5-5 (нарушение 6-6)






10



4
Апофиза 3-го Северного сброса (нарушение 7-7)
100
90
10
28/20

5

Восточный сброс
70
75
5
9/18


Таким образом, «оживлению» нарушений на данном руднике Урала, находящегося на участке 3 степени по геодинамической опасности, способствуют, кроме высоких тектонических напряжений дополнительные факторы: унаследованность поля напряжений и периодическое влияние давления воды в плоскостях тектонических нарушений.
  • На участках 2-й степени геодинамической опасности, таких как северный Кузбасс или восточный Донбасс, горно-тектонические удары не были отмечены, но произошли землетрясения в период ликвидации шахт.

По мнению автора, повышение уровня техногенной сейсмичности в период ликвидации шахт является следствием их затопления и провоцирования тем самым подвижек по крупным тектоническим нарушениям. Механизм землетрясений при затоплении шахт имеет общие черты с описанным выше механизмом горно-тектонических ударов и с механизмом землетрясений при заполнении водохранилищ и кратко заключается в следующем.





а




б




в
Рис. 5 Тектонофизическая модель горно-тектонических ударов на СУБРе (а, б) и угольной шахте Бейпяо (в)




- 1; -2; - 3; - 4; - 5; - 6; - 7;


F9, 32



- 8; - 9; ; - 10.


1-тектонические нарушения; 2-граница блоков; 3-направление смещения крыла нарушения при горно-тектоническом ударе; 4-приподнявшееся крыло нарушения при горно-тектоническом ударе; 5-направление максимального сжатия в регионе; 6-направление современных касательных напряжений на смесителях нарушений; 7-кинематический тип нарушения; 8-гипоцентр горно-тектонического удара; 9-номера нарушений; 10-отработанное рудное тело.


На участках земной коры 2-й степени геодинамической опасности горизонтальные напряжения являются максимальными, но недостаточными для того, чтобы вызвать толчкообразные смещения по сместителям крупных нарушений (границам блоков), даже если они расположены благоприятно к направлению действия главных напряжений. По окончании ведения горных работ массив пород, подвергшийся техногенному воздействию, представляет собой разуплотненную структуру, с системами трещин, по которым передается гидростатическое давление при подъеме воды в затапливаемой шахте. Из-за повышения давления воды нормальное сжатие крыльев затапливаемых нарушений постепенно уменьшается, что приводит к уменьшению механического контакта между ними. Это вызывает, в свою очередь, изменение траекторий главных нормальных напряжений вблизи сместителя в силу чего сдвигающие силы вдоль его плоскости возрастают. В какой-то момент растущие сдвигающие напряжения при уменьшающемся нормальном сжатии крыльев и вызывают внезапную подвижку по нарушению.

Например, в шахте «Анжерская» были отработаны пласты Десятый, Андреевский, Коксовый. На момент закрытия она имела глубину более 700 м, площадь шахтного поля около 4 км2. Затопление шахты началось в 1995 г., скорость подъема воды составляла в среднем 10 м/мес. В апреле 1997 г., когда подъем воды в шахте превысил 200 м, произошли землетрясения с М = 2,0 энергетического класса К = 7,3.

Тектонофизический анализ основных крупных дизъюнктивов шахтного поля показывает, что все они, за исключением крутопадающих запад-северо-западного простирания, расположены в плоскостях, близких к , т.е. благоприятно для развития по ним смещений и искривления осей главных напряжений вдоль плоскостей сместителей, табл. 3.

Таблица 3.

Тектонофизические условия для дизъюнктивов поля шахты «Анжерская».

Нарушение
Аз

пад.
Угол

пад.




1
32
70
0,97
0,7-0,77

2
25
80
0,97-0,99
0,8-0,84

3
240
70
0,82-0,5
0,53-0,59

4
300
75
0,99
0,75-0,77

Согласный

взброс
282
45
0,97-0,61
0,35-0,55

В диссертационной работе рассчитано, что при искривлении осей главных напряжений вблизи сместителей нарушений 1-4 (табл. 3) превышение сдвигающих сил над силой трения составит 12–18 МПа, что сопоставимо с прочностью нарушенного массива. Таким образом, напряжений, действующих вдоль плоскостей затопленных сместителей нарушений шахты «Анжерская», вполне достаточно для толчкообразного деформирования массива, нарушенного ведением горных работ.

В табл. 4 систематизированы условия, способствующие возникновению опасности горно-тектонических ударов при разработке месторождений на участках 2 – 4-й степени геодинамической опасности.

Таким образом, результаты исследований автора по особенностям проявления горно-тектонических ударов (техногенных землетрясений) на участках земной коры 2 – 4-й степеней геодинамической опасности позволяют отметить и сформулировать две закономерности:
  • смещение крыльев региональных дизъюнктивов при горных ударах на рудниках и шахтах происходит в направлении действия современных касательных напряжений тектонического регионального поля напряжений на их сместителях;
  • чем выше степень геодинамической опасности участка земной коры, тем меньше условий должно выполниться для реализации опасности горно-тектонических ударов с подвижками крыльев нарушений.

Таблица 4

Условия, способствующие возникновению опасности горно-тектонических ударов на участках 2 - 4-й степеней геодинамической опасности

Степень геодинамичес­-

кой опасности

Условия
2-я
3-я
4-я

ПРИРОДНЫЕ









Наличие крупных дизъюнктивных нарушений
да
да
Да

Унаследованность современного поля напряжений
да
да
не обязательно

Благоприятное расположение дизъюнктивов к осям напряжений
да
скорее да, чем нет
не обязательно

ТЕХНОГЕННЫЕ









Наличие больших выработанных пространств
да
да
Да

Гидростатическое давление воды в плоскостях сместителей
да
не обязательно
не обязательно


В главе 9 рассматривается закономерность отражения в массиве границ блоков разных рангов (четвертое научное положение).

На более чем 30 объектах в период с 1981 по 2006 гг. автором были выполнены специальные сопоставительные работы по установлению геологической (тектонической) выраженности границ блоков в горном массиве на рудных и угольных месторождениях России, Украины, Китая, на нефтяных месторождениях, на объектах Московской области.

Всего изучено несколько сотен разноранговых границ блоков, из них более 50 –ти на поверхности и в горных выработках, остальные – на поверхности и путем сопоставления с имеющимися геолого-геофизическими данными. Результаты исследований границ блоков, выделяемых при геодинамическом районировании, позволяют говорить о четырех типах их проявления в горном массиве (табл. 5).

В табл. 6 показана установленная автором связь этих типов со степенью геодинамической опасности участка земной коры.

Из табл. 6 следует, что тектоническая выраженность границ блоков постепенно нарастает при снижении ранга и повышении степени геодинамической опасности участка земной коры. Например, границы блоков I ранга на участке 1 степени выражены как границы 3 и 4-го типов, а на участке 4 степени как границы 1, 2, 3 и 4-го типов, т.е. тектонически более отчетливо. Таким образом, отмечается закономерность отражения в массиве границ блоков разных рангов: чем выше степень геодинамической опасности участка земной коры, тем более отчетливо проявляется дизъюнктивная выраженность границ блоков каждого из рангов в горном массиве.

Таблица 5

Типы тектонической выраженности границ блоков I-V рангов в массиве

Тип
Характер выраженности

1
Единый сместитель разрывного нарушения или серия субпараллельных сместителей

2
Серия чередующихся сместителей, расположенных друг за другом вдоль одной линии или кулисообразно смещенных

3
Линейные зоны развития мелких различно ориентированных сместителей, либо зоны развития сквозной трещиноватости и мелких нарушений с преобладанием трещин определенного направления

4
Линейные зоны изменения ориентировок основных систем трещин и значений их густот


Глава 10 посвящена доказательству закономерности нарастания геодинамической опасности от участков 1-й к участкам 4-й степени геодинамической опасности (пятое научное положение).


Таблица 6

Типы тектонической выраженности (по табл. 3) границ блоков I-IV рангов на участках различной степени геодинамической опасности

Степень опасности участков
I ранг
II ранг
III ранг
IV ранг

I
3-4
2-4
2-4
2-4

II
2-4
2-4
2-4
2-4

III
2-4
2-4
1-4
1-4

IV
1-4
1-4
1-4
1-4


Анализ опубликованных и полученных автором данных о проявлении геодинамической опасности показывает увеличение количества форм проявлений геодинамической опасности от участка 1-й к участку 4-й степени опасности усиление ее интенсивности (табл. 7), а именно:
  • на участках 1-й степени геодинамическая опасность отмечается в двух формах: повышенная аварийность на инженерных сооружениях в геодинамически опасных зонах и предположительно техногенные землетрясения до 2-х баллов;
  • на участках 2-й степени интенсивность проявления геодинамической опасности в имевшихся на участке 1-й степени формах увеличивается (техногенные землетрясения до 4 баллов, аварийность на инженерных объектах на прежнем уровне) и проявляется еще в трех других формах (горные удары на угольных шахтах с глубин 200-700 метров, сейсмичность при затоплении шахт, удароопасные рудные месторождения);
  • на участках 3-й степени интенсивность проявления геодинамической опасности в имевшихся на участке 2-й степени формах увеличивается (техногенные землетрясения до 7 баллов, начальная глубина проявления горных ударов снижается до 150 метров, увеличивается количество удароопасных месторождений) и проявляется дополнительно в других формах: горнопромышленные районы с техногенной сейсмичностью, удары горно-тектонического типа, «оживление» нарушений при ведении горных работ;
  • на участках 4-й степени интенсивность проявления геодинамической опасности во всех имевшихся на участке 3-й степени формах увеличивается (техногенные землетрясения до 8 баллов, аварийность на магистральных трубопроводах увеличивается в 2 раза, количество плотин с техногенной сейсмичностью, удароопасных месторождений, месторождений нефти и газа с техногенной сейсмичностью увеличивается в несколько раз.

Кроме того, от участка 1-й к участку 4-й степени опасности увеличивается геодинамический риск за счет повышения вероятности попадания инженерного объекта в геодинамически опасную зону (рис. 6 и 7).










Рис. 6. Вероятность попадания объектов длиной 100 и 500м на границу блока IV ранга


Рис. 7. Математическое ожидание числа пересечений объектом длиной 100 и 500 км 2-х систем границ блоков I и II рангов


Таблица 7

Характеристика нарастания геодинамической опасности для территорий северной Евразии


Характеристика геодинамической опасности
Степень геодинамической опасности участка земной коры

1
2
3
4

Минимальная глубина проявления горных ударов
нет
200-700
150-200
150

Проявление горно-тектонических ударов, баллы
нет
нет
до 6-7
до 8

Амплитуда смещений крыльев крупных нарушений при горно-тектонических ударах, см
0
0
до 10
до 17

Техногенная сейсмичность на водохранилищах, % от общего количества
0
10
10
80

Техногенная сейсмичность при разработке месторождений нефти и газа, % от общего количества
0
10
25
65

Наличие удароопасных рудных месторождений, % от указанных в Инструкции…, 1989
0
10
40
50

Наличие удароопасных угольных месторождений, % от указанных в Инструкции…1988
0
4
22
76

«Оживление» нарушений при ведении горных работ
-
-
да
да

Горно-промышленные районы с техногенной сейсмичностью
0
0
да
да

Интенсивность максимального расчетного землетрясения, баллы
5
6
6-7
>10

Количество аварий на 1000 км магистральных трубопроводах (неполные данные)
0,21-0,22
0,43

Вероятность попадания объекта длиной 500 м в геодинамически активную

зону IV ранга
0,03
0,04
0,053
0,158

Математическое ожидание числа пересечений линейного объекта длиной

500 км двух систем геодинамически активных зон I-II рангов.
1,0
2,13
4,24
15,8

Интегральная гистограмма распределения объектов с зарегистрированными

проявлениями техногенной сейсмичности по участкам различной степени

геодинамической опасности








На рис. 8 представлена гистограмма, дающая представление о нарастании разнообразия и интенсивности проявления геодинамической опасности от участка 1-й к участку 4-й степени геодинамической опасности: переход от участка к участку сопровождается появлением все новых форм геодинамической опасности и усилением интенсивности проявления встречавшихся ранее.

На рисунке постепенное укрупнение определенного условного знака означает усиление данного вида опасности для участка.

Таким образом, выявляется закономерность: