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

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

УДК 622.831:622.502 551.14 550343.4

Специальность

25.00.36 - «Геоэкология»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ БЛОЧНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД В ЦЕЛЯХ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОСВОЕНИЯ НЕДР И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

Батугин А.С.

Москва 2008

Работа выполнена в Московском государственном горном университете и ВНИМИ

Научный консультант доктор технических наук, профессор Петухов Игнатий Макарович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Козырев Анатолий Александрович

доктор технических наук, профессор Чаплыгин Николай Николаевич

доктор технических наук, профессор Ермолов Валерий Александрович

Ведущая организация - Открытое акционерное общество "Межотраслевой научно-исследовательский и проектно-технологический институт экологии топливно-энергетического комплекса" (ОАО "МНИИЭКО ТЭК"), г.Пермь.

Защита диссертации состоится 2008 г. в час. на заседании диссертационного совета Д 212.128.06 в Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан « » 2008

Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн. наук В.М. Шек

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Во второй половине 20-го века произошло качественное изменение форм проявлений геодинамической опасности, которая вышла за пределы только горнодобывающей отрасли и превратилась в крупную составляющую экологической опасности. При разработке месторождений Урала, Кузбасса и Горной Шории, Кольского полуострова в России, а также на зарубежных месторождениях происходят горно-тектонические удары, вызывающие разрушения на поверхности, образование провалов, появление трещин, исчезновение водотоков и др., отмечается техногенная сейсмичность при разработке нефтяных и газовых месторождений, строительстве сверхвысоких зданий в городах, происходят землетрясения в районах ликвидации шахт. В России возникло несколько горнопромышленных районов, в которых техногенная сейсмичность стала социальным фактором, привела к повышению опасности эксплуатации других промышленных производств, стала оказывать непосредственное влияние на биологический оптимум для человека.

Выявилась приуроченность аварийных участков на трубопроводах, железных дорогах, других крупных инженерных сооружениях к геодинамически активным зонам. Прорывы трубопроводов сопровождаются загрязнением нефтепродуктами почв, гидросферы и атмосферы в колоссальных объемах, достигающих до 0,5% всей нефти, поступающей на переработку.

В 21-м веке прогнозируется еще более масштабное освоение недр и земной поверхности. Планируется осваивать огромные территории Севера, Сибири, Дальнего Востока, Европейской части России, возможна реализация крупнейших региональных проектов, связанных со строительством протяженных тоннелей, акведуков, трубопроводов, крупных шахт и карьеров.

Международный опыт показывает, что затраты на прогнозирование и обеспечение готовности к природно-техногенным явлениям катастрофического характера во много раз меньше, чем затраты на ликвидацию последствий. Поэтому при освоении новых территорий и усилении воздействия на уже осваиваемые территории необходим прогноз и учет возможных изменений их геодинамического режима и его влияния на окружающую среду и инженерные сооружения. Существующие методы оценки геодинамического состояния массива ориентированы в основном на их использование в горном деле или разработаны без учета техногенного воздействия на недра. Поэтому необходимо их совершенствование и развитие с учетом экологической составляющей геодинамической опасности. Нужна классификация территорий по степени геодинамической опасности и планирование на этой основе мер инженерной защиты окружающей среды и инженерных объектов.

Поэтому решаемая в диссертационной работе проблема совершенствования методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород для изучения изменений жизнеобеспечивающих ресурсов недр и земной поверхности под влиянием антропогенных факторов является актуальной.

Цель работы заключается в совершенствовании методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород для повышения экологической безопасности освоения недр и земной поверхности.

Основной идеей работы является развитие авторской гипотезы о том, что степень геодинамической опасности освоения участков недр и земной поверхности зависит от отношения для них мощности слоя земной коры с предельно напряженным состоянием пород к полной ее мощности.

Задачи исследований:

1. Выявить формы проявления геодинамической опасности с оценкой характера и степени влияния геодинамического состояния блочного массива на экологическую безопасность освоения недр и земной поверхности.

2. Разработать классификацию участков земной коры по степени геодинамической опасности. Обосновать классификационный признак и принцип проведения границ между участками различной степени опасности.

3. Изучить и проанализировать геодинамическое состояние блочного массива и характер проявления геодинамической опасности при освоении недр и земной поверхности на участках с различной степенью геодинамической опасности. Разработать и усовершенствовать для этого необходимые методы исследования, развить и дополнить методику геодинамического районирования. Выявить основные закономерности проявления геодинамической опасности

4. Систематизировать инженерные меры защиты от геодинамической опасности с учетом степени опасности участка земной коры.

Методы исследований включали в себя:

- анализ топографических, геологических и геофизических карт при выделении блочной структуры Евразийской плиты и отдельных территорий с использованием принципа «от общего к частному»;

- геоморфологические и геологические исследования на поверхности в районах границ блоков I-V рангов, геологическое изучение проявления границ блоков I-V рангов в горных выработках угольных шахт и рудников, расположенных на участках различной степени геодинамической опасности;

- тектонофизические исследования при изучении полей тектонических напряжений в блоковых структурах месторождений, изучение следов перемещений крыльев разрывных тектонических нарушений, анализ взаимодействия тектонических структур;

- обследование очагов горно-тектонических ударов, оценка их размеров и определение направлений произошедших смещений крыльев тектонических нарушений различных порядков;

- аналитические исследования при разработке классификации участков земной коры по степени их геодинамической опасности, при разработке критериев оценки опасности дизъюнктивных нарушений и совершенствовании тектонофизических методов;

- аналитические исследования при разработке подхода к оценке геодинамического риска;

- сопоставительный анализ полученных и опубликованных материалов по объектам исследования.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород заключается в установлении степени геодинамической опасности для любого его участка по отношению n мощности сейсмоактивного слоя Нs к мощности земной коры Нз.к.

2. Ориентировка действующих напряжений и вид напряженного состояния блочного массива определяются элементами залегания и ориентировкой вектора смещения границ блоков соответствующего иерархического уровня, а геодинамическая опасность границ блоков и внутриблоковых нарушений определяется их пространственным расположением относительно осей напряжений и выраженностью в современном рельефе.

3. Обоснование тектонофизической модели горно-тектонического удара и техногенного землетрясения при затоплении шахт базируется на учете отношения размеров очага к размерам геодинамически активного блока и реализации смещений крыльев дизъюнктивных нарушений в направлении действия касательных напряжений тектонического поля на их сместителях, что позволяет прогнозировать опасность этих геодинамических явлений в горнопромышленных районах.

4. Границы блоков, выявленные геодинамическим районированием по рельефу, характеризуются типизацией их тектонической выраженности в массиве, что позволяет применять адекватные методы оценки геодинамической опасности при освоении недр и земной поверхности.

5. Обоснование разнообразия видов геодинамических явлений и их интенсивности при освоении недр и земной поверхности базируется на учете степени геодинамической опасности данного участка земной коры, что обеспечивает выбор инженерных мероприятий по защите окружающей среды.

Достоверность научных положений и результатов исследований подтверждается применением при изучении геодинамического состояния массива современных методов геомеханики, тектонофизики, геодинамического районирования, успешным использованием результатов, полученных автором, институтом ВНИМИ, на СУБРе, в Кузбассе, на китайском месторождении Бейпяо и карьере Хайджоу.

Достоверность результатов подтверждается также фактическими данными:

- приуроченностью участков повышенной геодинамической опасности на шахтах им. Калинина и им газеты «Социалистический Донбасс» в Донецке, на шахте Березовская и №7 в Кузбассе, на шахте Бейпяо в КНР к выделенным автором геодинамически опасным зонам;

- сходимостью полученных автором результатов оценки напряженного состояния на СУБРе с результатами других авторов;

- приуроченностью участков с повышенными (до 20 т/сутки) и пониженными (2-3 т/сутки) дебитами скважин на Чутырском месторождении нефти к относительно разгруженным и напряженным участкам массива, установленным по результатам исследований автора;

- начальной глубиной проявления горных ударов на угольных шахтах, расположенных на участках с различной степенью геодинамической опасности;

- пространственным распределением по участкам с различной степенью геодинамической опасности: 38 известных удароопасных рудных месторождений РФ, 5 нефтегазовых месторождений РФ и 17 плотин Евразии с известными случаями проявления техногенной сейсмичности; 9 месторождений РФ с зарегистрированными проявлениями горно-тектонических ударов;

- представительным объемом экспериментальных данных о строении границ блоков I-V рангов, выявленных и изученных автором на участках 1-4-й степени геодинамической опасности;

- характером смещения крыльев четырех крупных дизъюнктивов при горно-тектонических ударах на СУБРе в период 1984-1986 гг. и трех крупных дизъюнктивов на китайском месторождении Бейпяо;

- приуроченностью участков с повышенной аварийностью на коммунальных трубопроводах г.Реутов к выделенным автором потенциально геодинамическим опасным зонам.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана классификация участков земной коры по степени их геодинамической опасности и составлена карта их пространственного распределения в пределах северной части Евроазиатской литосферной плиты, что позволяет использовать полученные результаты для оценки геодинамического состояния массива горных пород.

2. Разработан метод оценки напряженного состояния массива горных пород на основе изучения его тектонической нарушенности и блочного строения.

3. Разработан метод оценки геодинамической опасности разрывных нарушений горного массива и границ блоков разного ранга на основе анализа их пространственного расположения и выраженности в современном рельефе земной поверхности.

4. Установлена закономерность нарастания интенсивности и разнообразия форм проявления геодинамической опасности участков земной коры с увеличением у них мощности сейсмоактивного слоя.

5. Установлена закономерность отражения в массиве границ блоков I - V рангов, выделяемых при геодинамическом районировании, заключающаяся в том, что чем выше степень геодинамической опасности участка земной коры, тем более отчетливо проявляется диъюнктивная выраженность границ блоков каждого из рангов в горном массиве.

6. Установлена закономерность реализации направления смещения крыльев региональных дизъюнктивов при горно-тектонических ударах на рудниках и шахтах, заключающаяся в том, что смещение крыльев происходит в направлении действия современных касательных напряжений тектонического регионального поля напряжений на их сместителях.

7. Предложена и обоснована тектонофизическая модель техногенных землетрясений при затоплении шахт.

8. Предложены способы выбора мест для захоронения радиоактивных и других вредных отходов.

9. Разработан подход и получены формулы оценки геодинамического риска на основе решения задач типа задачи Бюффона.

Научное значение работы состоит в развитии теории и методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород при повышении экологической безопасности освоения недр и земной поверхности путем раскрытия закономерностей строения границ геодинамически активных блоков, условий «оживления» тектонических нарушений при техногенном воздействии, нарастания геодинамического риска, интенсивности и разнообразия форм проявления геодинамической опасности с увеличением в земной коре мощности сейсмоактивного слоя.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- усовершенствована методика оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород, включая методику выделения блоков для выровненных территорий, геологическую интерпретацию границ блоков, оценку геодинамической опасности как отдельных нарушений в шахте, так и в целом блоков земной коры разных рангов;

- составлены схемы геодинамического районирования как отдельных месторождений, так и крупных территориальных единиц, таких, например, как центральная часть Западно-Сибирской низменности, Московская область, районы Урала и др.;

- предложена систематизация мер защиты окружающей среды от геодинамической опасности, позволяющая планировать эти меры в зависимости от степени геодинамической опасности участка земной коры.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при составлении инструктивных и справочно-методических документов по ведению горных работ на удароопасных месторождениях, а также при выделении зон риска при освоении недр и земной поверхности.

Результаты геодинамического районирования угольных, рудных, нефтяных месторождений, трасс трубопроводов и железных дорог, других объектов использованы непосредственно институтом ВНИМИ, производственными и проектными организациями России (Норильский никель, Севуралбокситруда, Гипротрубопровод, Кузбассинвестуголь, Администрация Московской области и др.). В КНР приняты к использованию результаты геодинамического районирования угольного месторождения Бейпяо, нефтяных месторождений провинции Шаньдун, угольного карьера Хайчжоу. Внедрение результатов проведенных в 1997 году исследований по геодинамическому районированию при проведении уклона на шахте № 7 в Ерунаковском районе Кузбасса дало экономиический эффект около 200 млн. руб.

Результаты исследований и практические рекомендации автора вошли составной частью в нормативно-методические документы, указанные в конце автореферата.

Лично автором: выдвинута идея зависимости степени геодинамической опасности участка земной коры от мощности слоя пород с предельно напряженным состоянием; на основе этой идеи обоснована и разработана классификация участков земной коры по степени геодинамической опасности; изучено в полевых и шахтных условиях строение более 50 границ блоков разных рангов и более 500 разрывных нарушений с зеркалами скольжения; для оценки современного поля напряжений в районе месторождения предложено использовать в тектонофизических методах данные о пространственном положении границ блоков, выделяемых при морфометрическом анализе рельефа; разработаны тектонофизические методы совместного анализа нарушений с установленной и неустановленной ориентацией вектора смещения; обоснованы и опробованы показатели опасности нарушений и границ блоков; обоснован и опробован подход к оценке геодинамического риска на основе решения задач типа задачи Бюффона; выполнены комплексные исследования по оценке геодинамического состояния массива (построение карты блоков, оценка напряженного состояния блоков методами тектонофизики, оценка опасности нарушений и границ блоков) на более чем 20 различных объектах; обследованы очаги горно-тектонических ударов на СУБРе, ЮУБРе, угольной шахте Бейпяо, сделан вывод о подчинении направления смещения крыльев крупных нарушений современному полю напряжений, обоснованы представления о механизме горно-тектонических ударов с подвижками крыльев нарушений и землетрясении при затоплении шахт; произведен анализ пространственного распределения техногенных геодинамических событий для участков 1 - 4 степеней геодинамической опасности.

Апробация работы. Основные результаты работы изложены в публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Вопросы и научные положения, рассматриваемые в диссертации, докладывались:

- на всесоюзных и российских совещаниях и конференциях (Ленинград, 1988; Кемерово, 1990, 1991, 1992; Москва, 1988, 1993, 1995, 1997-2007; Новосибирск, 2007);

- на Международном симпозиуме по горному делу (г. Фусинь, КНР, 1993); на Международном симпозиуме по горным ударам и выбросам (С.-Петербург, 1994); на Рабочем совещании по геодинамическому районированию под эгидой ЕЭК ООН (С.-Петербург, 1995); на Международной конференции МАНЭБ по развитию Северо-Западного региона России (С.-Петербург, 1995); на Международной конференции «Эффективная добыча угля на базе современных достижений геомеханики» (С.-Петербург, 1996); на 2-ом Международном рабочем совещании «Проблемы геодинамической безопасности» (С.-Петербург, 1997), Международной конференции по горному делу (Фусин, КНР, 2004).

Результаты исследований по отдельным объектам докладывались: Правительственной комиссии по ликвидации последствий Спитакского землетрясения (приняты для использования, Ереван, 1990); на Научно-техническом Совете института Гипротрубопровод (Москва. 1991); на Техническом совещании в Министерстве путей сообщения (Москва, 1991); при защите научно-технических отчетов по работам на контрактной основе в Китае (Бейпяо, 1993; Шеньян, 1993; Фусин 2005, 2006, 2007).

Исследования автора проводились в составе плановых тем лаборатории геодинамики ВНИМИ, Центра геодинамики недр МГГУ.

Во всех совместных публикациях и научно-технических отчетах автору принадлежал самостоятельный раздел, как правило, выделение блочной структуры района, геологическая интерпретация границ блоков, оценка активности выделенных блочных структур, оценка геодинамического состояния блочного массива горных пород. Автор принимал самое непосредственное участие в полевых и шахтных экспериментальных работах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 научных работ, в том числе 9 статей, изданных в журналах по перечню ВАК

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, одиннадцати глав, объединенных в три части, заключения, списка использованной литературы из 294 наименований, представлена на 416 страницах машинописного текста, содержит 121 рисунок и 20 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность за постоянное внимание к работе научному консультанту, Заслуженному деятелю науки и техники России, докт. техн. наук, профессору И.М. Петухову.

Автор признателен ректорам Кузбасского государственного технического университета профессорам М.С. Сафохину и В.В. Курехину, зам. директора ВНИМИ А.Н. Шабарову, зав. кафедрой ИЗОС МГГУ профессору С.В. Сластунову за помощь при выполнении работ.

Диссертант благодарен за консультации, помощь при проведении исследований, оформлении диссертационной работы, докторам технических наук В.В.Зубкову, М.Г.Мустафину, кандидатам наук Р.Г. Коломину, А.Н. Кондакову, Т.И. Лазаревич, Е.И. Микулину, В.С. Сидорову, С.И. Петухову, коллективу лаборатории геодинамики ВНИМИ, коллективу кафедры ИЗОС Московского государственного горного университета.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой части диссертации (главы 1-3) представлено состояние вопроса, обоснована классификация участков земной коры по степени геодинамической опасности, приводятся предлагаемые методы оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород.

В первой главе диссертации описано экологическая составляющая техногенных геодинамических явлений, проанализированы существующие методы оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород, сформулированы цель и задачи исследования.

В связи с увеличением масштабов инженерной деятельности человека геодинамическая опасность превратилась в самостоятельную составляющую экологической опасности. Естественное напряженное состояние недр и их структурное строение рассматриваются как характеристики окружающей среды, от которых зависит экологическая безопасность человечества. Выход проблемы техногенных геодинамических явлений на геоэкологический уровень требует совершенства методов их прогноза и профилактики.

В настоящее время достигнуты большие успехи в области оценки геодинамического состояния массивов и борьбы с геодинамической опасностью. Наиболее изученными геодинамическими явлениями в шахтах являются горные удары, основной вклад в понимание сущности которых внесен С.Г. Авершиным, И.М. Петуховым и их научной школой, установившими, что их основной причиной является изменение напряженного состояния в угольном пласте и вмещающих породах. В начале 60-х годов прошлого века установление факта превышения горизонтальных напряжений в верхней части земной коры над вертикальными (И.Т. Айтматов, С.А. Батугин, П.В. Егоров, М.В. Курленя, Г.А. Марков, Х. Нильсон, И.А. Турчанинов, Н. Хаст, M.L. Zoback, и др.) дало толчок к развитию представлений о роли современных тектонических процессов в формировании геодинамической опасности при освоении недр и земной поверхности. С одной стороны это привело к пониманию важнейшей роли геодинамического состояния массива, как комбинации его естественного напряженного состояния и тектонического строения, в создании геодинамической опасности при освоении недр и земной поверхности, а с другой - способствовало взаимодействию геомеханики с классическими науками о Земле. Таким образом, в основу методов оценки геодинамического состояния массива горных пород как и методов профилактики и борьбы с геодинамической опасностью легли научные достижения геомеханики, геологии, геофизики, геотектоники, сейсмологии.

Вопросы природы, механизма, условий проявления горных ударов, инженерные меры профилактики и борьбы с ними, а также методы оценки геодинамической опасности при разработке месторождений нашли отражение в работах С.Г. Авершина, И.М. Петухова, а также Я.А. Бича, Б.Ш. Винокура, П.В. Егорова, А.П. Запрягаева, А.Н. Зорина, В.П.Кузнецова, Н.Кука, А.М. Линькова, И.Ю. Рассказова, В.А. Смирнова, Л.И. Сосновского, А.Н.Ставрогина, А.А. Филинкова и др. Изучению вопросов, касающихся проблем техногенных землетрясений при разработке месторождений полезных ископаемых, закачке отходов в скважины, сооружении плотин, проведении взрывов посвящены работы В.В. Адушкина, П. Бароша, Г.М. Гелашвили, Х. Гупта и Б. Растоги, В.А. Зубкова, А.А. Козырева, Т.И. Лазаревич, А.В. Ловчикова, А.А. Маловичко, Е.И. Микулина, А.В. Николаева, Н.И. Николаева, И.М.Петухова, В.Г..Селивоника, А.А. Спивака, Н.М. Сырникова, Д.Тейлора, В.М. Тряпицина, M.Шадрина, Б.В. Шреппа, А.Н. Шабарова и др.

Составлены карты сейсмического районирования территорий (Горшков, Уломов и др.), разработаны инженерные меры защиты сооружений при расположении их вблизи тектонических разрывов в сейсмоактивных зонах, что отражено в нормативных документах, а также работах А.П. Кириллова, С.А. Несмеянова, Г.С. Шестоперова и др.

Установлено дискретное строение и дискретное проявление свойств, энергии, процессов в массивах горных пород в геологии (А. Вегенер, Дж. Тейлор, Ле Пишон, Г.Штилле, А.Л. Яншин, В.В. Белоусов, Л.И. Красный и др), в геоморфологии (А.В. Орлова и др.), в геофизике (М.А. Садовский и др.), при моделировании полей напряжений (Д.Н. Осокина, С.И. Шерман и др.), в геомеханике (В.Н. Опарин, Е.И. Шемякин), геодинамике недр (И.М. Батугина, И.М. Петухов). Получили развитие тектонофизические и аналитические методы оценки напряженного состояния массива (E.М. Anderson, М.В. Гзовский, О.И. Гущенко, С.С. Демин, В.А. Корчемагин, М.Г. Мустафин, Л.А. Назарова, Л.А. Назаров, Л.В. Никитин, Э.Н. Работа, Л.М. Расцветаев, Ю.Л. Ребецкий В.В. Сидоров и др.).

Отмечены суперинтенсивные деформации земной поверхности в промышленных районах (Н.А. Касьянова, О.Ю. Кузьмин, А.Д. Сашурин и др.). Получили развитие исследования, направленные на количественную оценку геодинамической опасности, мерой которой выступает геодинамический риск (Г.Л. Копф, А.Л. Рагозин, В.В. Степанов и др.).

Создан метод геодинамического районирования недр (И.М. Батугина, И.М. Петухов), соединивший многие из перечисленных научных достижений, в развитии которого автор настоящей работы принимал активное участие. Метод геодинамического районирования стал одним из основных методов при оценке геодинамического состояния блочных массивов горных пород.

Вместе с тем остается целый ряд проблем, требующих совершенствования методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород, в том числе:

1. Недостаточная разработка методов региональной оценки геодинамической опасности. Нормативные карты сейсмического районирования построены на основе данных проявления естественной сейсмичности и геологических данных, характеризующих эти проявления, а факты показывают, что массив горных пород имеет особенности геодинамического состояния, которые этими критериями не учитываются, но при техногенном воздействии могут стать причиной геодинамических явлений. Мировой опыт показывает, что затраты на профилактику опасных техногенных явлений во много раз меньше затрат на ликвидацию их последствий (А.П. Красавин, В.И. Осипов, Н.Н.Чаплыгин, А.А. Харионовский и др). Поэтому необходима разработка классификации участков земной коры по степени геодинамической опасности.

2. Недостаточная разработка методов оценки напряженного состояния массива методами тектонофизики. Существующие методы ориентированы на анализ нарушенности, характеризующей поля палеонапряжений. Необходима разработка критериев и методов оценки современного естественного напряженного состояния массивов.

3. Недостаточная разработка методов оценки геодинамической опасности при ведении инженерных работ в зонах влияния границ блоков разных рангов и различной пространственной ориентации и методов оценки геодинамического риска.

4. Не раскрыты закономерности проявления геодинамической опасности в различных формах в зависимости от географического положения участка освоения недр или земной поверхности, что сдерживает планирование профилактических мероприятий.

Исходя из изложенного, в диссертации сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе дано обоснование основной идеи диссертации, обосновывается классификационный признак и предлагается классификация участков земной коры по степени геодинамической опасности в соответствии с первым научным положением.

При обосновании классификации, как метода оценки геодинамического состояния массива пород, автор исходил из того, что в ней в обобщенном виде должны учитываться и напряженное состояние массива и его дискретность, как основные факторы, определяющие геодинамическую опасность при техногенном воздействии на массив.

Обоснование классификационного признака основано на анализе следующих известных научных фактов:

- коровая сейсмичность является интегральным отражением напряженного состояния земной коры;

- в земной коре существует так называемый сейсмоактивный слой, мощность которого изменяется от нуля до 100% от мощности земной коры;

- для описания процессов в очагах землетрясений привлекается теория предельно напряженного состояния (Х. Рид, Г.А. Соболев и др.);

- обоснована гипотеза возникновения в земной коре слоя предельно напряженных пород (И.М. Петухов );

- количество энергии, запасенной в зоне предельно напряженного состояния пород прямо пропорционально размерам этой зоны (С.Г. Авершин и др.);

- сооружение и эксплуатация инженерных объектов воздействует на напряженное состояние массива в огромном диапазоне глубин - от первых десятков метров до всей мощности земной коры при сооружении крупных водохранилищ;

- дополнительная механическая нагрузка на участки предельно напряженного массива вызывает его немедленную реакцию, сопровождающуюся развитием деформаций, перераспределением напряжений, выделением сейсмической энергии.

На совокупности этих фактов основан вывод автора диссертации о том, что степень геодинамической опасности участка земной коры зависит от отношения максимальной мощности слоя предельно напряженных пород для данного участка к мощности земной коры в его пределах. Слой предельно напряженных пород земной коры автор отождествляет с сейсмоактивным слоем земной коры. В этом случае его максимальная мощность для каждой территории может быть установлена по максимальным глубинам коровых землетрясений. Чем больше мощность сейсмоактивного слоя земной коры, тем в более значительных объемах (участках) массива достигается предельно напряженное состояние, тем больше в нем запасается энергии, тем опаснее для инженерных сооружений наложение на эти участки собственных геомеханических нагрузок.

Исходя из этого, в качестве основного классификационного признака классификации участков земной коры по степени геодинамической опасности автором предлагается использовать отношение мощности сейсмоактивного слоя пород к мощности земной коры на данном участке. Кроме того, в силу фундаментальности свойства дискретности массива пород автором принимается, что участки различной степени опасности также обладают этим свойством и имеют блочное строение.

С учетом вышеизложенного, автором была предложена и реализована следующая методика построения классификации и карты участков различной степени геодинамической опасности для территории северной Евразии.

Мощность земной коры Hк определена по опубликованным данным, в частности, по карте Белявского. Мощность сейсмоактивного слоя Hs определена по опубликованным данным о максимальных глубинах коровых землетрясений. Методами математической статистики показано, что полученная автором выборка данных Hs/Hк с учетом погрешности определений максимальных глубин коровых землетрясений, достигающей 50%, может быть разбита на 4 неравных интервала (0%; 0 - 25%; 25 - 50%; > 50%). На этом основании в соответствии с первым научным положением в предлагаемой классификации использовано 4 степени геодинамической опасности.

Для учета фундаментального свойства дискретности массива данные о максимальных глубинах коровых землетрясений были совмещены с картой мегаблоков Евразии, выделенных методом геодинамического районирования. Для каждого блока принималась мощность сейсмоактивного слоя в соответствии с максимальным значением глубины гипоцентра на его площади. Блоки с одинаковыми значениями относительной мощности сейсмоактивного слоя в пределах установленных интервалов (0%; 0 - 25%; 25 - 50%; > 50%) соответственно объединялись в участки 1 - 4-й степеней геодинамической опасности (рис.1; табл. 1).

Таким образом, полученные результаты представляют собой метод оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород, основанный на современных научных представлениях и реализуемый путем нанесения любого конкретного участка земной коры на карту (рис.1) по его географическим координатам.

Рис.1 - Схема участков земной коры по степени геодинамической опасности: 1 - 4 степень геодинамической опасности соответственно.

Таблица 1 Классификации участков земной коры по степени геодинамической опасности

Степень геодинамической опасности	Относительная мощность сейсмоактивного слоя земной коры, Hs/Hк, %	Примеры
1	0	Европейская равнина, Западно-Сибирская низменность
2	до 25	Кузбасс, Донбасс, Воркута
3	до 50	Урал, Юг Западной Сибири, Апатиты, Дальний Восток
4	>50	Юг Сибири, Кавказ, районы Средней Азии и Китая, Памир

Третья глава посвящена доказательству второго научного положения. В ней приводится решение задач расширения методики выделения блоков для территорий с плоским выровненным рельефом, разработки метода оценки напряженного состояния блочного массива методами тектонофизики, обоснования и разработки критериев оценки геодинамической опасности границ блоков и тектонических нарушений.

Методика выделения блоков для районов с плоским выровненным рельефом предложена и продемонстрирована на примере участка Великой китайской равнины. Введение поправок за региональный уклон местности и дифференцирование поля высот позволило установить блочную структуру месторождения Шан-Зи.

Разработан метод оценки напряженного состояния массива горных пород на основе изучения его тектонической нарушенности и блочного строения. Метод заключается в последовательном установлении напряженного состояния от более крупных геодинамически активных блоков к более мелким на основе тектонофизического анализа элементов залегания границ блоков и векторов современных смещений по ним. На основе результатов исследований автора на шахтах Североуральского бокситового месторождения и полей угольных шахт районов Кузбасса показано, что на региональном уровне вид напряженного состояния и ориентировка действующих тектонических напряжений определяются элементами залегания и ориентировкой вектора смещения границ блоков соответствующего структурного уровня (ранга).

На локальном уровне, в пределах блоков IV рангов ориентировка напряжений, определяемая по характеру тектонической нарушенности, отвечает направлению современных тектонических напряжений в тех случаях, когда она соответствует ориентировке тектонических напряжений регионального уровня.

Предложены новые тектонофизические методы определения ориентации главных напряжений. Эти методы позволяют учесть специфику получаемых экспериментальных данных о границах блоков и основаны на совместном анализе нарушений (границ блоков) с установленной и неустановленной ориентацией вектора смещения, с ограниченным сектором возможных ориентаций вектора смещения, только с неустановленной ориентацией вектора смещения (рис.2).

Предложен и обоснован тектонофизический метод оценки опасности тектонических нарушений в горных выработках и границ блоков, изучаемых с поверхности. Метод заключается в оценивании величин безразмерных или измеряемых в баллах показателей *,, , *, .

Показатели и * характеризуют опасность внезапных сдвиговых подвижек по нарушениям. К опасным отнесены нарушения, для которых выполняется условие:

*=n/кр > 1,

где n величина действующих в плоскости сместителя касательных напряжений; кр расчетная величина касательных напряжений, достаточная для смещения крыльев нарушения по плоскому сместителю, определяемая из условия специального предельного состояния кр = nk, где n - нормальное напряжение на сместителе, k - коэффициент трения.

Рис. 2 Графические решения определения ориентировки главных напряжений

I - III для модели «трещиноватой» среды: I - для границы блока, смещающей две плоскости; II -для совместного анализа границ блоков с установленной и неустановленной ориентацией вектора смещения; III - пример определения ориентировки главных напряжений на СУБРе по результатам изучения границ блоков; IV -VI -для границ блоков с неустановленной ориентацией вектора смещения (модель однородной изотропной среды); 1-проекции соответственно у1, у2 и у3; 2 - сектор возможных ориентации вектора смещения 3; 4 - вектор, перпендикулярный линии скрещения плоскости нарушения со смещаемой плоскостью; 5 - место возможного положения проекции у1; 6 - проекция фтах; 7, 8 - области запрета на расположение соответственно у3 и у1.

Показано, что значения * не зависят от величин главных напряжений, а определяются только их соотношением, ориентировкой нарушения в пространстве и значением k, зависящем от морфологии сместителя. Исходя из этого величину * можно определять с помощью серии теоретических стереограмм (рис.3).

При отсутствии данных о соотношении величин главных напряжений и морфологии сместителей, позволяющих оценить k, используется показатель, по которому оценивается положение сместителя относительно площадок . Значения могут быть выражены в долях единицы или баллах.

Для оценки опасности возникновения тектонически напряженных зон на неровностях сместителей нарушений предложены показатели =n/max и *=n/ш, где ш - шаровой тензор.

Эти показатели характеризуют степень сжатия крыльев тектонических нарушений и измеряются в долях единицы или баллах. Их значения также не зависят от величин главных напряжений и могут определяться с помощью теоретических стереограмм (рис. 3 б, в).

Показатель измеряется в целых долях Hmin , где Hmin определяется из методики геодинамического районирования, и интегрально характеризует активность современных тектонических движений соседних блоков. Опасность для инженерных сооружений по показателям ,, , * оценивается в шкале порядка: чем выше значения, тем опаснее данная граница блоков для инженерных сооружений.

Использование данного метода позволяет ранжировать различно ориентированные нарушения и границы блоков по степени опасности и определить условия перехода нарушений в активное состояние. Например, анализ нарушений с *>1 в условиях Североуральского месторождения бокситов показал, что при *>2,5 - 3,0 нарушение становится активным при ведении горных работ.

Предложен подход и получены формулы для оценки геодинамического риска попадания инженерного объекта в геодинамически опасную зону (негативное событие) на основе решений задач типа известной задачи Бюффона.

Данный подход основан на результатах проведенных автором исследований в различных районах (главы 4 - 7), которые показывают, что любую территорию можно представить состоящей из участков, на которых границы блоков одного простирания можно представить в виде параллельных линий, расположенных на расстоянии L друг от друга. Тогда вероятность попадания на одну из них объекта длиной l < L равна (задача Бюффона).

В диссертации получены решения нескольких принципиально новых задач типа задачи Бюффона:

· математическое ожидание числа пресечений сети природных объектов или искусственных сооружений (горных выработок, дорог, улиц, газо-, нефте-, водопроводов, линий метрополитена и т.п.) общей длиной l с системой линейных нарушений, расстояния между которыми равно L:

(рис. 4а);

· вероятность попадания объекта длиной l < L частью или целиком на границу блоков, имеющих зону влияния шириной h:

, рис 4б;

· вероятность пересечения объекта длиной l < L при l>h какой-нибудь зоны нарушения (границы блока) шириною h:

(рис. 4в);

· математическое ожидание числа пересечений объектом длиной l > L, в том числе имеющего форму замкнутого контура или сети, параллельных нарушений (границ блоков), имеющих ширину h: (рис. 4 г).

Например, использование данного подхода для территории г.Реутова в Московской области позволило установить, что риск возникновения аварий на коммунальных трубопроводах в геодинамически активных зонах в 4-5 раз превышает фоновый уровень риска, на основании чего предложены рекомендации по снижению аварийности.

Полученные результаты расширяют возможности существующих методов оценки геодинамического состояния блочного массива, открывают новые возможности для оценки и управления геодинамическими рисками.

Вторая часть диссертации (главы 4, 5, 6, 7) посвящена результатам проверки и адаптации разработанных методов оценки геодинамического состояния территорий на участках земной коры соответственно 1, 2, 3 и 4-й степеней геодинамической опасности.

Для участков 1-й степени геодинамической опасности на примере объектов, расположенных в Московской области, Западно-Сибирской низменности, трассы железной дороги Москва - Санкт-Петербург показано, что границы геодинамически активных блоков выражены в рельефе, некоторые из них имеют связь с разломами фундамента. Из 20 границ блоков II ранга Московской области ни одна не представлена протяженным сместителем или их чередованием, только для 3 из них на отдельных участках отмечено совпадение с нарушениями осадочного чехла. Границы даже крупных блоков из-за своей низкой контрастности мало изучены и не учтены в инженерных проектах по освоению территорий, а их влияние на условия эксплуатации инженерных объектов недооценено. В зонах влияния границ блоков отмечены аварийные участки на железных дорогах (район станции Бологое), на магистральных трубопроводах (Западная Сибирь), отмечено влияние на условия эксплуатации зданий (пос. Малино), инженерных коммуникаций (г. Реутов), формирование техногенных горизонтов подземных вод (Московская обл.), активизацию суффозионных и оползневых процессов (Московская обл., Москва).

Рис. 3 - Теоретические стереограммы значений:

а); б) ; в) для случая и .

Назрел вопрос о внесении в нормативные акты для строительства и инженерно-геологических изысканий норм по оценке и учету геодинамического состояния платформенных территорий при проектировании и строительстве.

На участках 2-й степени геодинамической опасности исследования проводились на нефтяных месторождениях Удмуртии, в Донбассе, Северном Кузбассе, участках трубопроводов на Европейской части России.

Геодинамически активные границы блоков достаточно отчетливо выражены в современном рельефе и смещают элементы гидросети и другие фрагменты рельефа. Границы крупных (I-II ранг) блоков проявляются как линейные зоны повышенной геодинамической опасности при ведении горных работ (выбросоопасные зоны в Донбассе, зоны линейной трещиноватости в Кузбассе и др.).

Установлено, что границы блоков III -IV рангов, и особенно узлы их пересечения, на шахтных полях им. Калинина и им. газеты «Социалистический Донбасс» в Донбассе сопровождаются участками ложной кровли, водопроявлениями, местами концентрации очагов внезапных выбросов, достигающих 24 шт./га. На шахте «Березовская» в Кузбассе попадание очистных участков лав 122 и 132 пласта XXI на границу блока приводило к интенсивному куполообразованию, завалам комбайна, повышенному водопритоку, увеличению расхода крепления в 2 раза, повышению опасности для рабочих и снижению производительности труда.

Исследованиями в горных выработках установлено, что в массиве границы блоков геологически выражены как зоны повышенной трещиноватости, реже как сплошные дизъюнктивы. Во многих случаях границы блоков наследуют поверхности ослабления фрагментов крупных тектонических нарушений.

На нефтяных месторождениях Удмуртии исследованиями отмечен эффект отжима флюидов в разгруженные зоны. Например, на Чутырско-Киенгопском месторождении с использованием разработанных методов оценено напряженное состояние блочного массива.



Рис. 4 - Решения новых задач типа задачи Бюффона:

а - математическое ожидание числа пересечений сети инженерных объектов длиной l с границами блоков; б - г с учетом ширины зон б - вероятность пересечения границы блока целиком; в - математическое ожидание числа пересечений объектом длиной l границ блоков шириной h; полос шириной h; г - математическое ожидание числа пересечений контуром длиной l границ блоков шириной h.

Анализ дебитов скважин показал, что к областям максимумов и минимумов напряжений приурочены соответственно участки пониженных (несколько тонн в сутки) и повышенных (десятки тонн в сутки) дебитов скважин, что свидетельствует о влиянии напряженного состояния массива на распределение флюидов в недрах. На основании проведенных исследований предложены способ разработки нефтяных месторождений, способы выбора мест для захоронения радиоактивных и других токсичных отходов, позволяющие повысить эффективность освоения недр, снизить экологическую нагрузку на район месторождения за счет избирательного расположения и дальнейшей эксплуатации скважин, повысить экологическую безопасность хранения отходов.

На примере шахты «Анжерская» в Кузбассе отмечено, что возникновение техногенных землетрясений на участках 2 - й степени геодинамической опасности возможно в исключительных случаях, когда выполняется сразу несколько способствующих этому условий, таких, как унаследованность современного поля напряжений; наличие крупных тектонических нарушений, совпадающих с границами блоков и пересекающих выработанные пространства шахт; затопление шахты.

На участках 3-й степени геодинамической опасности исследования проводились на бокситовых месторождениях Северного и Южного Урала, южной части Кузбасса, участке магистрального трубопровода.

На угольных и рудных месторождениях, расположенных в участках земной коры 3-й степени по геодинамической опасности, границы блоков в горном массиве представлены протяженными сместителями нарушений, фрагментами, состоящими из сместителей, реже зонами повышенной трещиноватости или границами зон смены ориентировки трещин.

Горные удары отмечаются с меньших глубин, чем на участках 2-й степени опасности (около 200 метров). Потенциально опасные зоны по горным ударам приурочены не только к границам блоков и узлам их сочленения, но отмечается опасность и в целом для одного или группы блоков. геодинамический экологический безопасность земной

При ведении горных работ происходят удары горно-тектонического типа, с подвижкой пород по сместителям нарушений в направлении действия касательных напряжений регионального современного поля напряжений.

На трубопроводах Сибирь-Центр, пересекающих участки 1, 2, 3-й степеней геодинамической опасности, максимум аварийности приурочен к участку 3-й степени геодинамической опасности, вероятность аварий на котором выше в 4 раза, чем в целом на остальной части трубопроводов.

На участках 4-й степени геодинамической опасности (по результатам исследований на месторождениях Бейпяо и Монтего, нефтяном месторождении Шан-Зи в Китае, в зоне бедствия Спитакского землетрясения) наблюдаются все известные формы проявления геодинамической опасности: горные и горно-тектонические удары, «оживление» тектонических нарушений, техногенные землетрясения при различных видах инженерной деятельности, аварии на инженерных объектах в геодинамически активных зонах. Большинство геодинамических явлений проявляется настолько отчетливо, что их техногенная природа не вызывает сомнений. Подвижки по нарушениям при горно-тектонических ударах происходят в направлении действия современных тектонических сил, не считаясь с предшествующей кинематикой нарушений; места аварий на инженерных объектах приурочены к местам пересечения их с границами блоков; границы блоков различных рангов отчетливо тектонически выражены в массиве пород, флюиды в недрах перераспределены в зависимости от напряженного и структурного состояния массива.

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).