Совершенствование методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород в целях повышения экологической безопасности освоения недр и земной поверхности

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.

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.

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

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.

В главе 11 дано обоснование выбора инженерных мер защиты окружающей среды при освоении недр и земной поверхности на участках различной степени геодинамической опасности и приведена систематизация этих мер в виде таблицы.

Рис. 8 Нарастание количества форм проявления и интенсивности геодинамической опасности

1 - аварийные зоны на линейных объектах; 2 - удароопасные угольные месторождения; 3 - удароопасные рудные месторождения; 4 - горно-тектонические удары на угольных месторождениях; 5 - горно-тектонические удары на рудных месторождениях; 6 - техногенные землетрясения; 7 - оживление тектонических нарушений при ведении горных работ.

Идея такой систематизации базируется на установленных закономерностях и состоит в дифференциации мер защиты окружающей среды в пространстве двух переменных: тип инженерного объекта и степень геодинамической опасности места расположения данного объекта.

Для примера в диссертации дифференциация мер защиты окружающей среды (и инженерных сооружений) приведена в таблице для 12-ти типов важнейших инженерных сооружений (рудники (шахты), магистральные трубопроводы, мосты и мостовые переходы, химические объекты, атомные станции, тепловые электростанции, гидроэлектростанции, типовое градостроительство, поверхностные и подземные хранилища отходов, прецизионные сооружения) и четырех степеней геодинамической опасности. Общее число рекомендуемых мер защиты более 50.
Так, при разработке месторождений на участках 1-й степени инженерные меры защиты от геодинамической опасности не требуются; на участках 2-й степени для удароопасных месторождений могут потребоваться меры борьбы с горными ударами и ограничение глубины затопления шахт и карьеров; на участках 3-й и 4-й степеней добавятся меры профилактики горно-тектонических ударов, планирование размещения опасных объектов и объектов жизнеобеспечения в горнопромышленных районах.

Чрезмерное разнообразие инженерных сооружений по функциональному назначению, масштабам, сложности и важности, конструктивным и другим параметрам, а также условиям строительства и эксплуатации ориентирует на расширение концепции эффективного управления процессом защиты сооружений и окружающей среды по обстоятельствам (ситуационное управление) с учетом полученных результатов и требует дальнейших как фундаментальных, так и широких прикладных исследований и ОКР.

В качестве задач дальнейших авторских исследований рассматривается: уточнение границ участков различной степени геодинамической опасности; развитие методики оценки геодинамического риска; обоснование и разработка инженерных мер по защите окружающей среды; разработка рекомендаций по включению в ОВОС разделов о геодинамическом воздействии предприятия на окружающую среду и составлению соответствующих разделов в проектах по комплексному освоению регионов с учетом полученных результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся квалификационной научной работой, приводится решение научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение -совершенствование методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород для изучения изменений жизнеобеспечивающих ресурсов недр и земной поверхности под влиянием антропогенных факторов.

Решение этой проблемы базируется на многолетних теоретических и экспериментальных исследованиях, проведенных автором на угольных месторождениях Кузнецкого, Донецкого угольных бассейнов, месторождениях Бейпяо и Монтего в Китае, на рудных месторождениях Урала, Норильска, нефтяных месторождениях Удмуртии и Шан-зи в Китае, на трассах трубопровода Сургут-Куйбышев, трассе железной дороги Санкт-Петербург-Москва-Кемерово, на территории Московской области и др. объектах.

Основные результаты, выводы и рекомендации, полученные в результате проведенных исследований, следующие:

1. Разработана и обоснована классификация участков земной коры по степени их геодинамической опасности и составлена соответствующая схема для части северной Евразии.

Показано, что в качестве основного классификационного признака может быть использовано процентное отношение n мощности сейсмоактивного слоя Hs к мощности земной коры Hз.к. На основе анализа имеющихся данных по максимальным глубинам гипоцентров коровых землетрясений, карты мощности земной коры и исследований автора по геодинамическому районированию территории северной Евразии выделено четыре класса (типа) участков. Участки 1-й, наименьшей степени геодинамической опасности имеют n = 0%; участки 2-й степени имеют n = 0-25%; участки 3-й степени имеют n = 25-50%; участки 4-й степени имеют n > 50 %. Геометрические очертания зон, различных по степени геодинамической опасности, обусловлены формой мегаблоков северной части Евразийской плиты, выявленных методом геодинамического районирования. Анализ результатов исследований автора и эмпирических данных по проявлению геодинамической опасности в 11 различных формах на данной территории показывает нарастание разнообразия ее форм и интенсивности от участков 1 к участкам 4 степени геодинамической опасности.

2. Теоретически обоснованы и проверены в шахтных и полевых условиях Кузбасса, СУБРа, Чутырско-Киенгопского месторождения Удмуртии и ряда других объектов усовершенствованные тектонофизические методы оценки напряженного состояния блочного массива. В качестве исходных данных в методах определения ориентации осей современного поля напряжений предложено использовать характеристики пространственного положения границ блоков, выделяемых при геодинамическом районировании территорий. В усовершенствованных методах могут совместно анализироваться нарушения с установленной и неустановленной ориентацией вектора смещения, с ограниченным сектором возможных ориентаций вектора смещения.

3. Теоретически обоснован и использован на месторождениях и других объектах метод оценки опасности границ блоков и разрывных нарушений горного массива по показателям, характеризующим их выраженность в современном рельефе земной поверхности и ориентировку относительно осей главных напряжений. Для оценки опасности разрывных нарушений, сместители которых на всю длину или на отдельных участках могут рассматриваться как плоские поверхности, обосновано применение показателя, учитывающего отношение действующего в плоскости сместителя касательного напряжения к критическому, необходимого для преодоления трения между крыльями нарушения. Показано, что исходными данными для такой оценки могут служить такие значения следующих параметров как: ориентировка плоскости сместителя относительно осей главных напряжений, отношение величин максимального и минимального главных напряжений, значение коэффициента Лодэ -Надаи му и коэффициента трения крыльев нарушения по сместителю. Для плоских сместителей обосновано также использование показателя Х, учитывающего степень сжатия плоскости сместителя.Для практического использования данной разработки построены теоретические стереограммы значений показателей опасности.

4. Предложен, теоретически обоснован и использован практически подход к оценке геодинамического риска. Получены формулы оценки риска попадания инженерного или природного объекта, в том числе сетей объектов, в геодинамически опасную зону (на границу блока определенного ранга) с учетом или без учета ширины ее зоны влияния. Данный подход основан на решении задач типа задачи Бюффона и может быть использован на любой территории и для любых объектов.

5. Предложена и обоснована тектонофизическая модель возникновения смещений по региональным дизъюнктивам при горно-тектонических ударах, согласно которой в подвижках крыльев крупных нарушений при горно-тектонических ударах реализуется процесс тектонических движений блоков земной коры соответствующего ранга. Данная модель основана на результатах шахтных наблюдений, проведенных автором в 1982-86 годах на СУБРе и в 1990-92 годах на угольном месторождении Бейпяо в КНР. По результатам исследований очаговых зон горно-тектонических ударов установлено, что подвижки по крупным тектоническим нарушениям при горно-тектонических ударах происходят в направлении касательных напряжений на их сместителях, создаваемых тектоническим полем напряжений соответствующего ранга. Направление подвижки по сместителям крупных нарушений увязывается с направлением тектонических сил в регионе, несмотря на влияние измененного от ведения горных работ поля напряжений, поскольку 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.

6. Предложена и обоснована тектонофизическая модель техногенных землетрясений при затоплении шахт. Механизм этих землетрясений имеет общие черты как с механизмом горно-тектонических ударов с подвижкой крыльев тектонического нарушения, так и механизмом землетрясений при заполнении водохранилищ. При затоплении шахты повышающееся гидростатическое давление, передаваемое через макротрещины массива, постепенно снижает нормальное сжатие крыльев крупных дизъюнктивов, что приводит к уменьшению их механического контакта и изменению траекторий действия главных напряжений, создавая тем самым условия для роста сдвигающих сил вдоль сместителей. Под действием увеличивающихся сдвигающих напряжений и снижения нормального сжатия происходит толчкообразное смещение одного из крыльев нарушений в сторону разуплотненного пространства, нарушенного ведением горных работ с выделением сейсмической энергии.

7. На основе теоретического анализа результатов экспериментальных работ, проведенных на участках 1-4-й степеней геодинамической опасности установлены следующие закономерности:

· закономерность отражения в горном массиве границ блоков I -V рангов, выделяемых при геодинамическом районировании. Эта закономерность заключается в том, что дизъюнктивная составляющая границ блоков усиливается с увеличением степени геодинамической опасности участка земной коры. Выделено четыре градации дизъюнктивной выраженности в массиве границ блоков, от зон аномально проявленной трещиноватости до сквозных протяженных дизъюнктивов. Показано, что в пределах участка земной коры любого типа по степени геодинамической опасности границы относительно мелких блоков имеют более выраженную дизъюнктивную составляющую, чем границы крупных блоков.

· закономерность в реализации направления смещения крыльев региональных дизъюнктивов при горных ударах на рудниках и шахтах, расположенных в участках земной коры 3-й и 4-й степени по геодинамической опасности. Эта закономерность заключается в том, что смещение крыльев нарушений происходит по направлению действия современных тектонических сил на сместителях и в сторону отработанного пространства

· закономерность нарастания геодинамической опасности при изменении мощности сейсмоактивного слоя земной коры, заключающаяся в том, что разнообразие форм, интенсивность ее проявления, геодинамический риск нарастают от участков 1 к участкам 4 степени геодинамической опасности.

10. Систематизированы инженерные меры по снижению воздействия на окружающую среду при освоении недр и земной поверхности в зависимости от типа участка по степени геодинамической опасности.

Предложены и оформлены в виде патентов способы захоронения радиоактивных и других вредных отходов, способы разработки нефтяных и газовых месторождений с учетом результатов их геодинамического районирования, способы выделения опасных участков горного массива.

Основные положения диссертации опубликованы как разделы методических указаний «Геодинамичское районирование недр», Л., ВНИМИ, 1990, в справочном пособии «Управление геодинамическим состоянием массива горных пород», Л., ВНИМИ, 1994, в монографии «Каталог основных данных по геодинамике месторождений» Л., ВНИМИ, 1988, во «Временных указаниях по выявлению и контролю зон риска возникновения аварий и чрезвычайных ситуаций при освоении недр и земной поверхности на основе результатов геодинамического районирования», 1997 12с., докладывались на Российских и международных конференциях и симпозиумах.

Основные результаты работы опубликованы в 35 научных работах, в том числе:

ОПУБЛИКОВАННЫЕ В ИЗДАНИЯХ, ВКЛЮЧЕННЫХ В «ПЕРЕЧЕНЬ ВЕДУЩИХ РЕЦЕНЗИРУЕМЫХ ЖУРНАЛОВ И ИЗДАНИЙ…» ВАК

1. Шабаров А.Н., Дупак. Ю.Н., Батугин А.С. Тектонически-напряженные и разгруженные зоны в горном массиве // Уголь, 1994. №7, с. 28-30.

2. Батугин А.С., Шабаров А.Н. Опыт и перспективы применения метода геодинамического районирования. Уголь, 1995, №10, с.46-47.

3. Батугин А.С., Петухов И.М. К оценке напряженного состояния участков земной коры // Горный информационно-аналитический бюллетень, 1988. №1, с.146-151.

4. Батугин А.С. Роль метода геодинамического районирования при разработке мероприятий по инженерной защите окружающей среды // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2002, № 2, с.179-181.

5. Батугин А.С., Климанова В.Г. Затопление ликвидируемых шахт как возможная причина техногенных землетрясений в горно-промышленных районах // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2002, № 2, с. 181-184.

6. Батугин А.С. Прогноз метаноносных зон на основе метода геодинамического районирования // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2005. Тематическое приложение «Метан», с.170-180.

7. Батугин А.С. К механизму землетрясения 25.04.97 и 27.04.97 на севере Кузбасса// Горный информационно-аналитический бюллетень, 2006. № 2, с.185-189.

8. Батугин А.С. К оценке геодинамического риска // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2006, № 9, с. 35-42.

9. Батугин А.С. Закономерности пространственного изменения геодинамической опасности // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2007, № 12, с. 36-43.

Опубликованные в других изданиях:

1. Методические указания по профилактике горных ударов с учетом геодинамики месторождений. (раздел 6.2) - Л.; ВНИМИ, 1983. - 118 с.

2. Батугин А.С. Оценка напряженного состояния массива горных пород в блоковых структурах с использованием геологических данных // Профилактика горных ударов при проектировании и строительстве шахт. Сб. науч. тр. - Л.; ВНИМИ, 1985. - с. 45-47.

3. Батугин А.С., Воинов К.А. Сравнительная оценка тектонофизического и сейсмического методов определения ориентировки главных нормальных напряжений // Совершенствование технологии сооружения горных выработок. Сб. науч. тр. Кемерово.: КузПИ. - 1986. - С. 102-106.

4. Каталог основных данных по геодинамике месторождений. - Л.; ВНИМИ. - 1988. - 56 с.

5. Установление напряженного состояния массива горных пород по тектонофизическим исследованиям с учетом его блочного строения // И.М. Батугина, И.М. Петухов Геодинамическое районирование месторождений при проектировании и эксплуатации рудников. - М., Недра, 1988. - с. 88-97.

6. Геодинамическое районирование недр. Методические указания. (разделы 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9) - Л.; ВНИМИ, 1990. - 129 с.

7. Батугина И.М., Батугин А.С., Сурунов Н.Ф., Гелашвили Г.М. Анализ условий, механизма проявления и энергии землетрясений на основе геодинамического районирования // Геодинамика месторождений. Кемерово, 1990, с. 17-23.

8. Батугин А.С. О методике реконструкции направлений главных напряжений в массиве пород / Геодинамика месторождений. - Кемерово, 1991. - с. 34-37.

9. Вяткин И.А., Батугин А.С. Геоморфологические методы оценки взаимодействия блочных структур II и III ранга на территории нефтоносных районов Удмуртии // Геодинамика месторождений. - Кемерово, 1991. - с. 131-138.

10. Батугина И.М., Петухов И.М., Шабаров А.Н., Батугин А.С. О геодинамическом районировании месторождения Бейпяо. // Доклады II Международного симпозиума по современным технологиям добычи угля. - Фусин. КНР. 1993. - с. 274-277.

11. Управление геомеханическим состоянием массива горных пород: Справочное пособие. - СПб.: ВНИМИ, 1994. - 259 с. (раздел 2 «Напряженное состояние нетронутого блочного массива горных пород»).

12. Батугин А.С. Об оценке активного влияния нарушений на условия ведения горных работ // Горное давление, горные удары и сдвижение массива. Сб. науч. тр. Часть I. - СПб.: ВНИМИ, 1994. - с.143-149.

13. Батугин А.С. К механизму проявления подвижек по сместителям нарушений при горно-тектонических ударах // Горное давление, горные удары и сдвижение массива. Сб. науч. тр. Часть I. СПб.: ВНИМИ, 1994. - с. 157-160.

14. Батугин А.С. Особенности геодинамического районирования участков земной коры, различных по тектонофизическому состоянию / Международный симпозиум по горным ударам и внезапным выбросам в шахтах. 5 - 9 июня 1994 // Рефераты докладов. СПб.: ВНИМИ, 1994. - с. 4-5.

15. Батугин А.С. Об условиях внезапного смещения крыльев дизъюнктивов на удароопасных месторождениях / Международный симпозиум по горным ударам и внезапным выбросам в шахтах. 5 -9 июня 1994 //Рефераты докладов. СПб.: ВНИМИ, 1994. - с. 5-6.

16. Батугин А.С. К механизму горно-тектонических ударов // Доклады международной конференции «Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики» (Дополнительный сборник). 1996, СПб.: ВНИМИ, 1996. - с. 97-101.

17. Петухов И.М., Шабаров А.Н., Батугин А.С., Петухов С.И. Необходимость геодинамического районирования нефтегазоносных полей на шельфе морей России и других стран СНГ //Тезисы докладов симпозиума «Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология» IV Международного форума «Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ, 29 октября - 2 ноября 1996, СПб.: 1996. - с. 93-94.

18. Опыт применения метода геодинамического районирования недр // Раздел 6.6 в кн.: И.М. Петухов, И.М. Батугина, Геодинамика недр, М., 1996, с.106-128.

19. Батугин А.С. Классификация участков земной коры по степени геодинамической опасности //3-я международная конференция "Экология и развитие северо-запада " - СПб.: 1996. - с. 263 - 267.

20. Батугин А.С. О закономерности отражения границ блоков в горном массиве // II Международное рабочее совещание. Проблемы геодинамической безопасности. 24-27 июня 1997. - СПб., ВНИМИ, 1997. - с.312-317.

21. Прогноз и предотвращение горных ударов на рудниках / Под редакцией И.М. Петухова, А.М. Ильина, К.Н.Трубецкого. - М., Изд. АГН, 1997 (разделы 5,7).

22. Батугин А.С. Классификация участков земной коры по степени их геодинамической опасности.// Сб. науч. тр. ВНИМИ. - СПб.: ВНИМИ, 1997. - с. 206-213.

23. Указания по проявлению и контролю зон риска возникновения аварий и чрезвычайных ситуаций при освоении недр и земной поверхности на основе результатов геодинамического районирования / И.М. Петухов, Н.В. Кротов, А.Н. Шабаров, А.С. Батугин и др. - СПб.: 1997.

24. Батугин А.С., Климанова В.Г. Оценка влияния глубины затопления ликвидируемых шахт на повышение геодинамической опасности // Деформирование и разрушения материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках. Симферополь. - 2000. - С. 26-27.

25. Алексеев В.К., Батугин А.С., Батугина И.М. и др. Геодинамическое районирование территории Московской области. - Ступино: «СМТ», 2003 - 126 с.

26. Батугин А.С., Климанова В.Г. О связи техногенной сейсмичности Кузбасса с процессом затопления шахт / Proceedings of XII international congress of international society for mine surveying. Fuxin-Bejing, China, 20-26 september. 2004. - р. 478-479.

Размещено на Allbest.ru