Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геодинамическое районирование горного массива с использованием радонометрии

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Геодинамическое районирование горного массива с использованием радонометрии"

На правах рукописи

Далатказин Тимур Шаокатович

ГЕОДИНАМИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ГОРНОГО МАССИВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАДОНОМЕТРИИ

Специальность: 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О [^[з

Екатеринбург - 2012

005016776

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте горного дела Уральского отделения Российской академии наук

Научный руководитель - доктор технических наук

Сашурин Анатолий Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Зубков Альберт Васильевич, кандидат геолого-минералогических наук Осипова Анастасия Юрьевна

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» (УГГУ)

Защита состоится «24» мая 2012 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д 004.010.01 при ИГД УрО РАН по адресу: 620219, г. Екатеринбург, ГСП-936, ул. Мамина-Сибиряка, 58. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела УрО РАН.

Просьба направлять отзывы почтой в 2 экземплярах, заверенных печатью организации, по указанному выше адресу. Автореферат диссертации разослан 2012г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одна из причин катастрофических событий на поверхности Земли и в верхних слоях литосферы - современная геодинамическая активность. Для исследования этого явления и разработки мер предотвращения аварийных и катастрофических событий, связанных с ним, необходима геодинамическая диагностика, которая предполагает получение распределения численных параметров современной геодинамической активности по исследуемой территории.

Диагностика современной геодинамической активности необходима для широкого перечня объектов: подземных коммуникаций, газо- и нефтепроводов, железнодорожных магистралей, мостов, тоннелей, высотных сооружений, горнодобывающих комплексов, хранилищ токсичных и радиоактивных веществ, АЭС, плотин, дамб и т. п. Деформации и разрушения на таких и подобных объектах, кроме колоссальных материальных потерь, порой сопровождаются человеческими жертвами и вызывают катастрофические экологические последствия.

Геодинамическая диагностика для обеспечения безопасности объектов недропользования - сложный трудоемкий процесс, который необходимо совершенствовать и модернизировать. Новые знания о современных геодинамических процессах определили одно из направлений совершенствования геодинамической диагностики с целью повышения достоверности, снижения трудоемкости и иных затрат - выполнение предварительного геодинамического районирования.

Это определяет актуальность исследований, проведенных автором и представленных в данной работе.

Решаемая задача: разработка оперативной методики предварительного геодинамического районирования в комплексе геодинамической диагностики при выборе безопасных участков для ответственных объектов недропользования.

Цель диссертационной работы: исследование зависимости поля радоновых эманаций от современной геодинамики для повышения достоверности и оперативности геодинамической диагностики горного массива.

Идея работы: использование зависимости параметров поля радоновых эманаций в почвенном воздухе от параметров современной геодинамической активности для геодинамического районирования горного массива.

Объектом исследований является поле радоновых эманаций в почвенном воздухе иерархически блочного горного массива.

Предмет исследований - зависимость формирования поля радоновых эманаций от современной геодинамики в иерархически блочном горном массиве.

Научные положения, выносимые на защиту:

1 Временные вариации объемной активности радона, полученные путем режимных наблюдений, дифференцируют надразломный участок по степени современной геодинамической активности на основе учета зональности по степени раскрытия трещин и пор, а также параболической зависимости между изменением расхода флюида через трещины и поры ■ при изменении степени их раскрытия и изменением его расхода.

2 Относительное превышение величины объемной активности радона в почвенном воздухе надразломных участков прямо пропорционально амплитудам и частотам цикличных геодинамических движений.

3 Распределение объемной активности радона в почвенном воздухе в пределах тектонического разрывного нарушения неравномерно, в соответствии с формированием вторичных самоорганизующихся структур в иерархически блочном массиве.

Научная новизна работы:

1 Установлено влияние степени раскрытия трещин и пор на достоверность геодинамического районирования на основе распределения временных вариаций поля радона.

2 Выявлена зависимость параметров поля радоновых эманаций от параметров современной геодинамической активности.

3 Установлен неравномерный характер распределения поля радоновых эманаций в пределах разрывных структур в соответствии с современной геодинамической активностью.

Практическое значение работы

Зависимость параметров поля радона от параметров современной геодинамики позволяет использовать радонометрию для оперативного

геодинамического районирования, на основе которого целенаправленно и эффективно определяются количественные параметры современной геодинамики для обеспечения безопасности объектов недропользования.

Методы исследований. В работе использованы методы аналитического обобщения научной информации и практический опыт по изучаемому вопросу, натурные измерения объемной активности радона (ОАР), численных параметров современной геодинамической активности с применением вРЯ-технологий и классических методов геодезии, сопоставление геодинамических моделей по данным радонометрии и по результатам геодезических измерений.

Достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается современными представлениями о геодинамических процессах в верхних слоях литосферы, теоретическими исследованиями, применением апробированных методов исследования и опытом применения на практике, комплексностью экспериментальных исследований, удовлетворительной сходимостью результатов геодинамического районирования по данным радонометрии с данными геодезических измерений.

Апробация работы и публикации. Материалы и основные положения работы доложены на конференциях. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 в журнале, рекомендованном ВАК.

Личный вклад автора. Исследования по теме диссертации выполнены за период с 2005 по 2012 г. в лаборатории сдвижения горных пород Института горного дела УрО РАН под руководством д.т.н., заслуженного деятеля науки РФ А.Д. Сашурина. Проанализированы и обобщены опубликованные в специальной литературе теоретические положения по теме диссертации, разработаны и проведены экспериментальные исследования, практические проверки эффективности применения радонометрии для геодинамического районирования горного массива на действующих горных предприятиях и урбанизированных территориях.

Реализация работы осуществлена для решения практических задач обеспечения безопасности ответственных объектов на территории Естюнинского, Высокогорского, Гороблагодатского железорудных месторождений, месторождения нефти «Грибное», определении причин деформаций объектов в г. Екатеринбурге.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка, 4 таблицы, список литературы из 106 наименований.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н. А.Д. Сашурину за внимание, высокопрофессиональное руководство на всех этапах работы над диссертацией, член-корр. РАН В.И. Уткину (ИГФ УрО РАН) за научные консультации по теме работы. Автор благодарит к.г-м.н. А.К. Юркова (ИГФ УрО РАН), д.т.н. С.Н. Тагильцева (УГГА), Ю.С. Усольцева (ФГУГП «Зеленогорскгеология»), д.т.н. А.Е. Балека за внимание к научной деятельности и консультации при выполнении работы, к.г-м.н. И.А. Козлову, В.П. Бакаева (ИГФ УрО РАН) за содействие и консультации по вопросам диссертации.

Автор благодарит Ю.П. Коновалову, В.И. Ручкина за сотрудничество, коллектив отдела геомеханики ИГД УрО РАН за понимание и поддержку.

Основное содержание работы

Введение посвящено актуальности, цели, практической значимости и научной новизне работы.

Первая глава диссертации посвящена постановке проблемы и обзору современного состояния методов геодинамической диагностики горного массива. Проведен анализ геолого-геофизических методов с позиции их использования для геодинамического районирования горного массива. Геологические методы: геоморфологические методы; структурное бурение; бурение инженерно-геологических скважин; инженерно-геологическое изучение горных выработок; геофизические методы: электроразведка, гравиметрия, магниторазведка, сейсморазведка, радонометрия,

аэрокосмические методы.

Большинство перечисленных методов определяет параметры геологической среды, по которым невозможно установить наличие современной геодинамики. Исключением являются радонометрия и высокоточная гравиметрия. Оперативность, невысокая стоимость проведения делают ее оптимальным методом для геодинамического районирования.

Радонометрия в варианте эманационной съемки разрабатывалась для поисков скрытых месторождений. Основоположниками метода являются В.И. Баранов, А.Г. Граммаков, А.П. Кириков, Ю.П. Булашевич.

б

В семидесятые годы XX века установлена зависимость формирования аномалий радона от современной геодинамики в трудах JI.B. Горбушиной, Ю.С. Рябоштана, Д.Г. Осика, Н.И. Хитарова, Г.И. Бойтова, B.C. Лебедева. Разработана методика геодинамического районирования на основе мониторинга поля радона.

Повышению радоновыделения при вибровоздействии посвящены исследования Л.В. Горбушиной, академика В.В. Адушкина.

В 1990-е годы, в работах Ю.П. Булашевича, С. Барабась, В.И. Уткина, А.К. Юркова, В.В. Николаева радон использован как индикатор напряженного состояния горного массива перед сейсмическим событием.

В настоящее время в геодинамической диагностике радонометрия применяется в следующих вариантах:

- измерение плотности потока радона для выявления активных разломов;

- радонометрический мониторинг для геодинамического районирования;

- эманационная съемка для выявления подвижных разрывных структур.

Метод измерения плотности потока радона характеризуется метеозависимостью, низкими оперативностью и производительностью применительно к решению задачи геодинамического районирования.

Методика геодинамического районирования с использованием мониторинга за полем радона базируется на положении, что временные вариации объемной активности радона отражают изменения объема пор и трещин геологической среды при изменениях ее напряженного состояния.

Однако для трещин, согласно уравнению Буссинеска, проницаемость находится в кубической зависимости от ширины ее раскрытия

где ц - единичный расход, м/с\ g - ускорение свободного падения, м/с2; 5 ширина раскрытия трещины, м ; V - кинематическая вязкость воздуха, м2/с;

/- градиент напора, м.

Закономерность изменения расхода флюида через трещину при изменении ширины ее раскрытия определятся по формуле

*тр. = £/,/дисх. = <53, / <53 исх.= («Ы<5 исх. )3 ,

где Ктр - величина, показывающая, во сколько раз изменится исходный единичный расход (^исходный) флюида через трещину при изменении её исходной ширины 0 исходная) Д° значения 6 ,•.

_ I - исх. ширина трещины 0,1 мм; — II - исх. ширина трещины 0,5 мм

Рисунок 1 - Изменение расхода флюида через трещину при изменении ее ширины, при исходных значениях: ^ , = 0,1 мм и & г - 0,5 мм; К— <S3 ,/ <53 „сходное! vi = v2= const; //=/; = const

На графиках (рисунок 1) показано, что изменение расхода флюида K-tp имеет параболическую зависимость от изменения ширины раскрытия трещин и происходит интенсивнее при меньшем исходном раскрытии при одинаковом ее приращении. Это следует учитывать при мониторинге поля радона для Геодинамического районирования.

Согласно закону Пуазейля, проницаемость поры находится в зависимости от величины радиуса в четвертой степени:

а ^иЛуг*

где <2 - расход, м3/с; ж = 3,14; Ар- разность давлений на концах поры, Н/м2; г - радиус поры, м; Г] — динамическая вязкость воздуха, кг-с/м2; Ь - длина поры, м.

Закономерность изменения расхода флюида через пору при изменении ее радиуса определятся формулой

К пор. — О- ¡1 бисх. = У \! У ИСХ. — О" 11 1" ИСХ. ) I

где Кпор - величина, показывающая, во сколько раз изменится исходный расход (:0, исх.) флюида через пору при изменении его исходного радиуса (г исх) до значения г,.

Идея использования эманационной съемки для геодинамического районирования основывается на том, что поле радона надразломных зон формируется в зависимости от проницаемости разломов и интенсивности вибровоздействия на горные породы, определяемых современной геодинамикой. Для разработки оперативной методики геодинамического районирования необходимо: исследовать закономерности формирования поля радона от современной геодинамики, выполнить опытно-промышленные проверки геодинамического районирования по данным радонометрии.

Во второй главе представлена модель формирования поля радона под влиянием современной геодинамики.

1 Приведены характеристики радона, позволяющие использовать его в качестве индикатора современных геодинамических процессов.

Радон присутствует во всех горных породах в виде радиоактивных газообразных веществ - эманаций. Химически инертен. Альфа-излучатель -достоверно регистрируется при малых концентрациях. В 7,5 раз тяжелее атмосферного воздуха. Обладает высокой проникающей способностью. Период полураспада Яп составляет 3,8 суток, среднее время жизни 5,5 суток, генерация его в горных породах происходит непрерывно.

2 Рассмотрена структурно-геодинамическая модель горного массива

Согласно современным представлениям, массив горных пород имеет

дискретно-иерархически блочное строение. Иерархическая делимость

определяется законом логарифмически-нормального непрерывного

распределения размеров твердых тел при дроблении (А.Н. Колмогоров, Б. Эпш-

э

тейн, М.А. Садовский). Между собой геоблоки разделены разрывными нарушениями. Разрывные нарушения распространены повсеместно.

Установлены современные движения земной коры, связанные с ее напряженным состоянием. Перемещение блоков происходит по разрывным нарушениям, которые характеризуются геодинамической активностью -подвижностью. Распределение подвижности в пределах разрывных структур дифференцировано в соответствии с формированием вторичных самоорганизующихся структур в иерархически блочном массиве. Установлены два вида современных геодинамических движений - трендовые и цикличные.

Трендовые движения сохраняют в течение относительно продолжительных промежутков времени направление и скорость смещения.

Цикличные движения имеют периодические знакопеременные изменения направления, характеризуются частотой циклов и амплитудой перемещения, подразделяются на: длинно- и среднепериодные с продолжительностью 0,1-1,0 года (Ю.О. Кузьмин, ИФЗ РАН); короткопериодные цикличные движения с продолжительностью циклов от нескольких секунд до часов и более (А.Д. Сашурин, A.A. Панжин, ИГД УрО РАН).

Под влиянием градиентов давления, температуры и концентрации радон мигрирует по проницаемым зонам в горном массиве. Проницаемость трещин для флюидов определяется степенью геодинамической активности. Это объясняется зависимостью степени раскрытия от степени взаимного смещения берегов трещин. Раскрытие поддерживается выступами на соседних блоках, препятствующих смыканию берегов. Современная геодинамика препятствует седиментационному заполнению трещин. Утратив подвижность, трещина теряет проницаемость. В несвязанных и слабосцементированных отложениях проницаемость при геодинамическом воздействии повышается за счет дилатационного разуплотнения.

Согласно Г. П. Шорохову, большинство дизъюнктивных нарушений обладает переменной проницаемостью, изменяющейся как по падению, так и по простиранию. Здесь напрашивается аналогия с положением о дифференцированном характере распределения современной геодинамической активности в границах разломных структурных зон.

В лабораторных и натурных условиях установлено, что вибрация повышает интенсивность выделения адсорбированного радона из пород.

Покровные отложения являются резонаторами упругих колебаний, излучаемых зонами активных деформаций кристаллического фундамента. Поэтому аномалии ОАР надразломных зон - признак их подвижности, независимо от мощности осадочных пород.

Переотложение радийсодержащих соединений также является причиной формирования аномалий радона, вызванных повышенной проницаемостью подвижных разломов. Вода - агент гипергенных процессов. В зонах повышенной проницаемости, в условиях геохимического барьера, происходит переотложение и накопление и - 11а содержащих соединений.

Таким образом, геодинамические подвижки влияют на формирование поля радона надразломных участков. Это позволяет дифференцировать горный массив по степени современной относительной геодинамической активности.

Третья глава посвящена методике использования эманационной съемки для геодинамического районирования. Эманационная съемка выполняется по стандартной методике - по сети профильных линий, перпендикулярных изучаемому нарушению, с заданным шагом (5-10 м) измеряется ОАР в почвенном воздухе сцинтилляционными радиометрами альфа-активных газов «Радон-01», «Глициния», РГА-500. Для отбора проб почвенного воздуха бурят шпуры диаметром 30 - 35 мм, глубиной 0,8 - 1,0 м. С помощью пробоотборника и насоса из шпура в измерительную камеру радиометра нагнетается проба почвенного воздуха. С дисплея радиометра считывается количество импульсов, преобразуемое с помощью коэффициента пересчета в значение ОАР. Применяя метод интерполяции, строится карта распределения ОАР в почвенном воздухе изучаемой территории. Интерпретация результатов радонометрии для геодинамического районирования осуществляется по принципу прямой зависимости формирования поля радона от распределения интенсивности современной геодинамики.

Для устранения влияния нетектонических факторов при геодинамическом районировании предложен метод нормирования. Выделив однотипные по нетектоническому фактору участки, выполняется нормирование значений ОАР каждой точки измерения

А^й/бср,

где - ОАР в почвенном воздухе точки измерения (Бк/м3); 2ср. -среднеарифметическое значение ОАР в почвенном воздухе по выделенному участку (Бк/м3); Л/,- - нормированная ОАР в почвенном воздухе точки измерения I (безразмерная величина).

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям по применимости радонометрии для геодинамического районирования.

1 В 2007 г. на геодинамическом полигоне (Ботанический сад УрО РАН, г. Екатеринбург), в зоне разрывного нарушения, по профилю, с целью проверки влиянии зональности по раскрытию пор и трещин на достоверность геодинамического районирования с использованием мониторинга за полем радона, выполнены 9 серий измерений ОАР в почвенном воздухе. Результаты исследований представлены в таблице 1 и на графиках (рисунки 2; 3). Коэффициент вариации определялся по формуле

У=8/Хср,

дисперсия изучаемого параметра; - среднее значение

п ' =1

Таблица 1 - Результаты мониторинга ОАР в почвенном воздухе в октябре 2007 года

№ т.н. ОАР в почвенном воздухе (кБк/м3) по сериям наблюдений V

18.10 19.10 20.10 21.10 22.10 23.10 24.10 25.10 26.10

1 26.4 30.0 29.8 28.0 28.2 35.0 29.3 31,2 29.8 0.081

2 29.8 31.8 30.2 31.9 36.3 37.6 37.3 35,0 39.7 0.101

3 24.8 22.2 22.7 12.4 18.8 11.6 21.6 25,2 24.6 0.253

4 25.4 18.5 28.3 25.1 32.4 36.3 37.4 31,3 31.2 0.201

Наблюдается увеличение коэффициента вариации от осевой части разлома, где значения ОАР максимальны, к периферии, в направлении которой ОАР снижается. Это объясняется большей шириной раскрытия трещин в

где 5 = л/52 — параметра.

осевой части. Таким образом, распределение коэффициента вариации ОАР в почвенном воздухе зависит не только от распределения параметров современной геодинамики, но и от зональности по величине раскрытия трещин и пор (таблица 1, рисунки 4, 5). Результаты эксперимента подтверждают первое защищаемое положение.

Расстояние по профилю, м Рисунок 2 - Распределение ОАР в почвенном воздухе в 9 сериях измерений по

наблюдательному профилю

О (т.н.1) 10 (т.н2) 20 (т.н.З) 30(т.н.4)

Расстояние по профилю, м Рисунок 3 — Распределение V— коэффициента вариации ОАР в почвенном воздухе в 9 сериях измерений по наблюдательному профилю

2 С целью исследования возможностей эманационной съемки для геодинамического районирования в 2008 г. на геодинамическом полигоне (Ботанический сад УрО РАН) выполнен эксперимент. Его цель -сопоставление геодинамического районирования по данным эманационной съемки и GPS-измерений короткопериодной геодинамики. На первом этапе проведена эманационная съемка. По ее данным выполнено геодинамическое районирование (см. рисунок 4). ОАР в почвенном воздухе участка изменятся от 1,6 до 37,8 кБк/м3, что свидетельствует о высоком потенциале современной геодинамики. Далее с использованием GPS определены численные параметры

короткопериодной геодинамики участка. Максимальные амплитуды вертикальных смещений 34 мм при погрешности измерений 3-5 мм, максимальные горизонтальные амплитуды - меридиональные, составляют 22 мм при погрешности измерений 2-4 мм.

5 0 10 25 М

I—I .!_]

0,0 — 5,0 кБк/м ; 15,0 - 20,0 кБк/м3;

5,0-10,0 кБк/м ,

20,0 - 25,0 кБк/м ,

10,0-15,0 кБк/м

> 25,0 кБк/м

г—Изолинии амплитуд короткопериодных геодинамических движений

Рисунок 4 - Геодинамическая модель участка, построенная по данным радонометрии, совмещенная с амплитудами вертикальных короткопериодных движений

Совмещение результатов ОРЯ-измерений и геодинамической модели по данным радонометрии, свидетельствует об их соответствии.

Результаты эксперимента подтвердили второе защищаемое положение.

В пятой главе приведены результаты опытно-промышленных проверок использования радонометрии для геодинамического районирования. Данные исследования были проведены на объектах недропользования с различными горно-геологическими условиями и на урбанизированной территории.

Первый объект - Естюнинское железорудное месторождение (ВГОК, г. Н. Тагил, Свердловская область), отрабатываемое подземным способом в горноскладчатых условиях Среднего Урала в массиве магматических горных пород.

Проведение радонометрических исследований было обусловлено необходимостью геодинамического районирования исследуемого горного массива, характеризуемого интенсивным техногенным формирования вторичного поля напряжений для обеспечения безопасности охраняемых объектов. ОАР в почвенном воздухе участка изменяется от 1,6 до 24,1 кБк/м3, что свидетельствует о высокой степени современной геодинамической активности. При сопоставлении геодинамического районирования по данным радонометрии и геодезического мониторинга по профильной линии III -III учтено, что современные подвижки носят знакопеременный характер. Поэтому, учитывая геодинамический механизм формирования поля радона, для сопоставления использовалось накопление вертикальных смещений реперов по абсолютной величине за 1996-2010 гг. и изменение расстояний между реперами в 2008 - 2010 гг. (см. рисунок 5). Использование радонометрии позволило оперативно и с минимальными трудозатратами:

- выявить активные разрывные структуры на исследуемой территории;

- выполнить геодинамическое районирование на исследуемом участке;

- распространить результаты инструментальных мониторинговых геодезических измерений на профильной линии Ш-Ш на прилегающую к ней площадь.

Геодинамическое районирование по данным радонометрии на участке профильной линии III - III

• Rp.7 репер

Распределение суммарных вертикальных смещений реперов по профильной линии Ш - Ш в 1996-2010 гг.

X \АН |, мм 190

160 _____/ Н \

Rp.U Rp.lO Rp.9 Rp.8 Rp.7 Rp.6

Rp.14 Rp 13 Rpl2 0,0-100,0 мм 100.0-130,0 мм ~1 130.0 - 160.0 мм

160,0- 190,0 мм Ш >190,0 мм • Rp.7 репер

Изменение длин между реперами по профильной линии III - III в 2008- 2010 гг.

Rp 14 Rp 13 Rp 12

Rpll Rp 10 Rp9 Rp8 Rp"7 Rp6

Рисунок 5 - Геодинамическое районирование по данным радонометрии на участке профильной линии III - III (Естюнинское месторождение) и результаты геодезического мониторинга.

Второй объект - месторождение нефти «Грибное». С целью определения параметров современных геодинамических движений, оценки их воздействия на охраняемые объекты был выполнен комплекс геофизических и геодезических исследований, в ходе которых изучена применимость радонометрии для геодинамического районирования на территориях, перекрытых значительными толщами осадочных пород.

Месторождение нефти «Грибное» расположено в платформенных условиях Западно-Сибирской низменности. Особенность геологического разреза месторождения - наличие мощного (порядка 3000 м) осадочного чехла, сложенного в основном песками и глинами. По данным радонометрии, геодинамическая ситуация определяется активными разломными зонами северо-западного и северо-восточного простирания (рисунок 6). ОАР изменяется от 1,5 до 13,6 кБк/м3. Выполнены ОР8-измерения современных короткопериодных геодинамических движений. Максимальные вертикальные амплитуды смещений 142 мм, максимальные горизонтальные 97 мм.

■■ 0,0 - 3,0 кБк/м3 ЩЦ 3,0 - 6,0 кБк/м3 Г ** | 6,0 - 9,0 кБк/м3

ШМа 9,0 - 12,0кБк/м3 НИ >12,0 кБк/м3 —ац Изолинии амплитуд короткопериодных геодинамических движений

Рисунок 6 - Геодинамическая модель по данным радонометрии, совмещенная с амплитудами вертикальных короткопериодных геодинамических движений (месторождение нефти «Грибное», г. Кагалым)

Сопоставление геодинамических моделей по данным радонометрии и вРБ-измерений свидетельствует об эффективности геодинамического районирования на основе эманационной съемки для массива с мощным осадочным чехлом.

Сопоставление результатов измерения ОАР в почвенном воздухе, минералогического и гамма-спектрального анализа проб грунта подтвердило геодинамическую природу формирования аномалий радона в почвенном воздухе на исследуемой территории.

Третий объект - прилегающая территория деформированного жилого, 9-этажного, 4-подъездного дома по адресу г. Екатеринбург, ул. Мусоргского, 6 (рисунок 7). Выполнена проверка применимости радонометрии для геодинамического районирования на урбанизированных территориях.

Деформации дома начались сразу же после его возведения в 1982 г. Видимые деформации выражены на дворовом фасаде (сеть трещин). Инженерно-геологические изыскания на участке выполнены: в 1979 г. «УралТИСИЗ»; в 2000 г. ООО «Николай-ИнГео». Причины деформаций дополнительными исследованиями выявлены не были.

Рисунок 7 - Аварийный жилой дом по ул. Мусоргского, б в Екатеринбурге Для определения геодинамической ситуации на прилегающей к аварийному дому территории в 2010 г. выполнена эманационная съемка (рисунок 8). Покровные отложения в ее пределах отличаются по диффузным свойствам. Поэтому при построении геодинамической модели применен метод нормирования значений ОАР в почвенном воздухе.

5 о ю 2;

Условные обозначения

[... Л 0,0-5,0 норм.ОАР 1111 5,0-10,0 норм.ОАР

I_II 0,0-15,0 норм.ОАР ЕЯ 15,0-20,0 норм.ОАР

ШШ > 20,0 норм.ОАР " I контур дома

Рисунок 8 - Геодинамическое районирование на основе нормированных значений ОАР в почвенном воздухе, г. Екатеринбург, ул. Мусоргского, 6

Нивелирование с 2-месячной периодичностью не зафиксировало современной геодинамической активности. Проведение ОРЯ-измерений на участке выполнить невозможно из-за плотной высотной жилой застройки. Геодинамическая модель территории по данным радонометрии соответствует деформациям здария.

Таким образом, сопоставление геодинамического районирования по данным радонометрии и геодезических исследований, выполненных в ходе опытно-промышленных проверок в различных горно-геологических условиях, свидетельствует об их соответствии. Анализ распределения ОАР в почвенном воздухе исследованных территорий и распределения количественных параметров современной геодинамики подтвердил третье защищаемое положение.

Заключение

В диссертации на основании выполненных экспериментальных и теоретических исследований решена актуальная научно-техническая задача проведения диагностики современной геодинамической активности горного массива с целью обеспечения безопасности ответственных объектов недропользования на основе геодинамического районирования с использованием радонометрии.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1 На основании современных научных представлений о структурно-геодинамической модели горного массива и анализа современных геолого -геофизических методов обоснован выбор радонометрии в качестве оптимального метода предварительного геодинамического районирования.

2 При разработке методики геодинамического районирования с использованием радонометрии теоретически определена параболическая зависимость временных вариаций объемной активности радона в пределах разломной зоны от изменяющихся во времени величин раскрытия трещин и пор. Экспериментально подтверждено влияние зональности по степени раскрытия трещин и пор на достоверность геодинамического районирования с использованием режимных наблюдений за полем эманаций радона.

3 Обосновано использование распределения градиента поля радона по площади исследуемого горного массива в качестве критерия оценки геодинамической ситуации.

4 Разработана методика устранения влияния нетектонических факторов на результаты геодинамического районирования с использованием радонометрии путем нормирования значений объемной активности радона в почвенном воздухе.

5 Экспериментально установлено соответствие геодинамического районирования по данным эманационной съемки и геодинамического районирования по данным ОР5-измерений современных короткопериодных геодинамических движений.

6 В результате проведенных опытно-промышленных проверок установлено:

- параметры поля радоновых эманаций зависят от параметров современной геодинамической активности;

- геодинамическое районирование с использованием радонометрии отражает весь спектр современных геодинамических движений;

- зависимость параметров поля радоновых эманации от параметров и механизма современной геодинамической активности позволяет использовать радонометрию в комплексе геодинамической диагностики для оперативного геодинамического районирования;

- геодинамическое районирование горного массива на основе эманационной съемки позволяет оптимально проводить измерение количественных параметров современной геодинамической активности для обеспечения безопасности объектов недропользования;

- эффективность геодинамического районирования по данным радонометрии для массивов с мощным чехлом осадочных пород и помехоустойчивость на урбанизированных территориях.

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1 Далатказин Т. Ш. Диагностика современной геодинамической активности горного массива при строительстве и эксплуатации ответственных объектов/ Т. Ш. Далатказин //Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005. -№ 11. - С. 120- 123.

2 Далатказин Т. Ш. Взаимосвязь уровня радоновой эмиссии с современной геодинамикой и тектоническими зонами/ Т. Ш. Далатказин //Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - № 2. - С. 212 - 215.

3 Далатказин Т. Ш. Создание геодинамического полигона на территории г. Екатеринбурга / Т. Ш. Далатказин //Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - № 1. - С. 181 - 184.

4 Далатказин Т.Ш. Использование радонометрии при изучении современной геодинамики на территориях, перекрытых мощным чехлом осадочных пород для решения задачи обеспечения безопасной эксплуатации объектов недропользования /Т.Ш. Далатказин//Горный информационно-аналитический бюллетень.-2011. - №7. _ с.249 - 253.

Статьи, опубликованные в научных сборниках, журналах и материалах конференций:

1 Далатказин Т. Ш. Влияние современной геодинамики на экологическую обстановку /Т. ULI. Далатказин //Геомеханика в горном деле: доклады

международной конференции, 5-8 июля 2005 г. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН. - 2005. - С. 318-320.

2 Далатказин Т. Ш. Использование нормированных значений объемной активности радона при структурно-геодинамической диагностике горного массива для решения задачи обеспечения безопасности объектов недропользования/ Т. Ш. Далатказин //Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений: труды 2 Международ, конф. 22 - 24 мая 2007 г. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ. - 2007. - С. 158 - 162.

3 Далатказин Т. Ш. Использование радонометрии при структурно-геодинамическом исследовании горного массива для обеспечения безопасности ответственных объектов недропользования/ Т. Ш. Далатказин //ТехНАДЗОР. -

2008,-№2. -С. 94-95.

4 Далатказин Т. Ш. Использование радонометрии при структурно-динамическом исследовании горного массива для обеспечения безопасности ответственных объектов недропользования/ Т. Ш. Далатказин //Геомеханика в горном деле: доклады Всероссийской конференции 10-11 окт. 2008 г. / ИГД УрО РАН . - Екатеринбург, 2008. - С. 143 - 148.

5 Далатказин Т. Ш. Влияние современной геодинамической активности на экономическую и экологическую ситуацию/Т. Ш. Далатказин //Экономические и экологические проблемы природопользования в горно-металлургическом комплексе: материалы Международ, научно-техн. конференции / Ин-т экономики УрО РАН, УГГУ. - Екатеринбург : Ин-т экономики УрО РАН. -

2009. - С. 66 - 76.

6 Далатказин Т.Ш. Изучение причин деформаций здания гаража в центральной части Екатеринбурга/ С. Н. Тагильцев, А. Ю. Хаустова, А. Е. Лукьянов, Т. Ш. Далатказин //Проблемы комплексных инженерных изысканий для всех видов строительства : материалы научно-практической конференции 16 - 17 июля 2009 г. / ЗАО " УралТИСИЗ". - Екатеринбург: ЗАО "УралТИСИЗ". -2009.-С. 125 - 129.

7 Далатказин Т. Ш. Геодинамическое районирование горного массива с использованием измерений радоновых эманаций в почвенном воздухе для снижения риска аварийности объектов недропользования/ Т. Ш. Далатказин //Геомеханика в горном деле: доклады научно-техн. конф. 14 - 15 окт. 2009 г. / ИГД УрО РАН. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН. - 2010. - С. 37 - 48.

8 Далатказин Т.Ш. Влияние активной тектоники на деформации зданий в Екатеринбурге / С.Н. Тагильцев, А.Ю. Хаустова, А.Е. Лукьянов, Т.Ш. Далатказин// Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии: труды Международной научной конференции. Москва, геологический факультет МГУ 25 - 26 мая 2010 г. - М.: Изд- во МГУ. 2010. - С. 124-125.

9 Далатказин Т.Ш. Анализ применения режимных наблюдений за полем радоновых эманаций в геодинамической диагностике / Т.Ш. Далатказин // Горное дело: технологии, оборудование, спецтехника: IV Уральский горнопромышленный форум: тезисы конференций и круглых столов. -Екатеринбург. Изд.- во АМБ. - 2011. С. 114 - 115.

Подписано в печать 17.04.2012. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,4 Тираж 100 экз. Заказ №

Отпечатано в типографии ИПЦ УрФУ 620000, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Далатказин, Тимур Шавкатович

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ СТРУКТУРНО-ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ГОРНОГО МАССИВА.

§ 1.1 Постановка проблемы.

§ 1.2 Геолого-геофизические методы, применяемые в структурно -геодинамической диагностике для выявления разломных тектонических структур и анализ их использования для геодинамического районирования.

1.2.1 Геологические методы.

1.2.2 Геофизические методы.

§ 1.3 Задачи совершенствования методики геодинамической диагностики.

Выводы

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАДОНОМЕТРИИ ДЛЯ

ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РАЙОНИРОВАНИЯ.

§ 2.1 Краткая характеристика радона, его происхождение.

§ 2.2 Распределение урана - радия в верхней части литосферы.

§ 2.3 Аномалии радона, обусловленные вещественными неоднородностями горного массива.

§ 2.4 Аномалии радона, обусловленные структурными неоднородностями горного массива.

§ 2.5 Структурная модель массива горных пород.

Выводы.

3 МЕТОДИКА РАДОНОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 83 ДЛЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РАЙОНИРОВАНИЯ.

§3.1 Планирование проведения эманационной шпуровой съемки для задач геодинамического районирования.

§ 3.2 Приборное оборудование.

§3.3 Обеспечение достоверности исследований.

3.3.1 Обоснование глубины шпура.

3.3.2 Обоснование объема откачиваемого почвенного воздуха при проведении шпуровой эманационной съемки.

3.3.3 Обоснование режима и методики отбора проб.

§3.4 Построение карты геодинамического районирования.

3.4.1. Использование нормирования с целью устранения влияния нетектонических факторов при использовании параметров поля радона для геодинамического районирования.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРОВЕРКЕ ПРИМЕНЕНИЯ РАДОНОМЕТРИИ ДЛЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО

РАЙОНИРОВАНИЯ.

§ 4.1 Исследования применимости режимных наблюдений за полем радона для геодинамического районирования.

§ 4.2 Исследования применимости эманационной съемки для геодинамического районирования.

Вывод.

5 ОПЫТНО - ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРОВЕРКИ И ВНЕДРЕНИЕ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

§5.1 Использование радонометрии для структурирования и геодинамического районирования горного массива шахты Естюнинская.

5.1.1 Горно-геологические условия Естюнинского железорудного месторождения.

5.1.2 Геодинамическая ситуация в районе III - III профильной линии по данным инструментальных наблюдений.

5.1.3 Геодинамическая ситуация в районе профильной линии III - III по данным измерений объемной активности радона в почвенном воздухе.

§5.2 Использование радонометрии для структурирования и геодинамического районирования горного массива месторождения нефти «Грибное».

5.2.1 Горно-геологические условия месторождения нефти «Грибное».

5.2.2 Геодинамическая ситуация на локальных участках исследований по данным радонометрических исследований.

5.2.3 Геодинамическая ситуация на локальных участках исследований по данным инструментальных наблюдений и ее соответствие предварительному геодинамическому районированию по данным радонометрии.

§ 5.3 Использование радонометрии для структурирования и геодинамического районирования горного массива деформированного дома по адресу г. Екатеринбург, ул. Мусоргского, 6.

Вывод.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геодинамическое районирование горного массива с использованием радонометрии"

На современном этапе развития мировой цивилизации наблюдается неуклонный рост количества катастроф природно-техногенного характера, вызывающие значительные социально-экономические потери и многочисленные человеческие жертвы. По данным ООН в 60-х года прошлого столетия ущерб от природно-техногенных катастроф составил 40 миллиардов долларов, а в 90-х годах он достиг уже 280 миллиардов долларов. По данным МЧС РФ в период с 1999 по 2006 гг. в России произошло 927 аварийно-катастрофических события, имеющих вероятностную связь с процессами, происходящими в литосфере [1]. Главные причины увеличения числа катастроф, обострения экологических проблем и тяжести их последствий -интенсивный технический прогресс и стремительный рост человеческой популяции на Земле и при этом незнание, а порой просто игнорирование факторов, определяющих последствия освоения человеком среды обитания [2].

Одной из причин катастрофических событий на поверхности Земли и в верхних слоях литосферы является современная геодинамическая активность. Диагностика современной геодинамики горного массива необходима для широкого перечня объектов, например, подземных городских инженерных коммуникаций, газо- и нефтепроводов, железнодорожных магистралей, мостов, тоннелей, высотных сооружений, горнодобывающих комплексов, хранилищ токсичных и радиоактивных веществ, АЭС, плотин, дамб и т. д. Для таких объектов массив горных пород является основанием или средой, в которой они созданы. Инженерные объекты, оказавшиеся в зоне влияния современной геодинамической активности, испытывают нештатные нагрузки и деформации, не предусмотренные их конструкцией.

Характерно, что прирост населения Земли происходит, в основном, за счет городских жителей. Как следствие резко расширяются площади городских территорий, увеличивается этажность строений, протяженность и плотность инженерных коммуникаций. Намечены и осуществляются планы строительства новых АЭС.

К чему приводит отсутствие геодинамической диагностики на предпроектной стадии можно продемонстрировать на следующих примерах.

В результате экспериментальных исследований на Сургутском и Таркосалинском полигонах, проведенных научно-практическим центром «Геоэкология» под руководством Н.К. Кострюковой, было установлено, что аварии на магистральных трубопроводах Федорского и Таркосалинского нефтяных месторождений постоянно тяготеют к участкам, где трубопроводы пересекают разломные зоны. При этом оказалось, что деформационный процесс носит регулярный характер. На основе данных, тензометрических и ОР8-измерений, было установлено, что деформационный процесс концентрируется в разломных зонах и подчиняется ритму лунных приливов. Деформации, возникающие во время каждого лунного прилива и отлива, т. е. 4 раза в сутки достигают 100 мм на 100 м при измерениях на трубе нефтепровода и до 200 мм на 100м при измерениях на поверхности. Более низкие значения смещений на трубе связаны с проскальзыванием последней по поверхности земли. Величины этих деформаций сравнимы с критическими для трубопроводов и выше критических для железобетонных конструкций. Цикличные колебания ухудшают усталостные свойства материала конструкций. В результате на участках разломов в железобетонных конструкциях появляются трещины, а в стальных трубопроводах ускоряется процесс коррозии, что в обоих случаях приводит к разрушению объектов [3].

Длительное время (более 35 лет) в аварийном состоянии, периодически, пребывает северо-западный борт Главного карьера Коршуновского ГОКа на участке, пересекаемом широтным разломом мощностью около 500 м. В борту карьера, начиная с 1975 года, происходят крупные оползни при углах наклона борта 22°. На сегодняшний день произошло уже 9 оползней. По всем расчетным оценкам скальные осадочные породы, слагающие этот борт, должны обеспечивать его устойчивость при углах 28 - 30° с нормативным запасом устойчивости 1.3.

По результатам структурно-геодинамической диагностики, проведенной ИГД УрО РАН (А.Д. Сашурин) на Коршуновском ГОКе в 2007 году был сформулирован механизм оползневого процесса.

В борту карьера находится гидротехнический тоннель, по которому из карьерного поля отведена река Коршуниха. При обследовании тоннеля было установлено, что монолитная железобетонная крепь на участке разломной зоны трещинами разрыва разбита на отдельные секции длиной 7 - 10 м из которых внутрь тоннеля поступают подземные воды, иногда фонтанируя под давлением. Это свидетельствует о высокой степени геодинамической активности разломной зоны, что и было подтверждено наблюдениями с применением технологий спутниковой геодезии GPS — установлен высокий уровень современных геодинамических движений. Короткопериодные цикличные геодинамические движения вызывают до 20 - 25 цикличных нагружений массива в час с амплитудами 0,2 - 0,3 МПа. Длиннопериодные цикличные геодинамические движения обуславливают изменение напряжений в массиве за годичный цикл до 0,3 - 0,5 МПа, а за 30-летний период изменения напряжений достигают 2-3 МПа.

Под влиянием высокой влажности и короткопериодных современных геодинамических движений, глинистые породы межблоковых шовных зон находятся в тиксотропном состоянии. Лабораторными исследованиями установлено, что глинистые породы, отобранные из тела оползня, при влажности от 20% до 40% проявляют тиксотропные свойства с коэффициентами чувствительности от 1,05 до 1,97. Длиннопериодные цикличные нагружения периодически переводят подготовленный массив в селеподобный оползень [4].

Другим примером последствий игнорирования геодинамической диагностики, может служить обрушение строящегося моста в г. Екатеринбурге на перекрестке улиц Восточная - Шевченко в 2006 году. По имеющимся данным перекресток расположен в пределах разломной зоны северо-восточного простирания. Под мостом проходит железнодорожная магистраль с интенсивным режимом движения поездов, вибрация от которых может войти в резонанс с собственными короткопериодными геодинамическими колебаниями разломной зоны. Возможен и трендовый характер проявления современной геодинамики.

Характер разрушений консолей моста свидетельствует о наличии горизонтальных векторов деформирующих сил. Тем не менее, никаких исследований по выявлению современной геодинамики в районе моста не проводилось ни до аварии, ни после. Официальная версия обрушения -конструктивные недостатки объекта вследствие неверных расчетов при проектировании [5].

Представления о современной геодинамической активности по мере накопления информации, ее научном осмыслении и совершенствовании измерительной аппаратуры находятся в эволюционном развитии. Изначально геодинамическая активность рассматривалась исключительно как трендовые движения, свойственные некоторым известным региональным разломам, таких как Сан-Андреас в Калифорнии, система Анатолийских разломов в Турции, ряд разломов в Японии и др. Трендовые движения происходят в виде взаимных подвижек двух соседних блоков с относительно постоянным направлением в течение длительного промежутка времени.

Работами Ю.О. Кузьмина (Институт физики Земли РАН) выявлены цикличные геодинамические движения. Цикличные движения имеют периодические знакопеременные изменения направления движения и характеризуются частотой циклов и амплитудой перемещения в цикле. Ю.О.Кузмин выявил геодинамические движения с продолжительностью циклов 0,1-1,0 года [6].

Благодаря появлению высокоточных систем спутниковой геодезии GPS научным коллективом, возглавляемым д.т.н. А.Д. Сашуриным (ИГД УрО РАН) в процессе многолетних исследований выявлен новый вид современной геодинамической активности - цикличных, полигармонических короткопериодных движений с продолжительностью циклов от нескольких секунд до часов и более. Максимальные амплитуды вертикальных смещений достигают 85-100 мм, горизонтальных 50-65 мм, а максимальные деформации при этом достигают по растяжению-сжатию 1,2 х 10"3, по наклону 2,5 х 10'3,

В России, обязательность изучения геодинамических процессов и явлений при проведении инженерных изысканий для строительства регламентирует «Свод правил по инженерным изысканиям для строительства СП 11-104-97. Инженерно-геодезические изыскания для строительства» [104].

Однако в подавляющем большинстве случаев при проектировании и строительстве инженерных сооружений ограничиваются инженерно-геологическими изысканиями, в комплекс которых геодинамическая диагностика не входит.

При проведении изысканий на территориях, предназначенных под строительство атомных электростанций, оценка геодинамической активности производится в соответствии регламентом «Руководящего технического материала по изучению деформаций земной поверхности геодезическими методами на полигонах атомных электростанций» (ГКИНП-10 -186 - 84). Однако этот документ уже не соответствует уровню сегодняшних знаний о современных геодинамических процессах. Он предусматривает наличие только вертикальных деформаций трендового вида, которые, якобы, по представлениям времени его создания, должны преобладать над горизонтальными [105]. А о существовании современных цикличных короткопериодных движений, с амплитудами, представляющих серьезную опасность для ответственных сооружений, в 1984 году еще не было известно. Поэтому в подавляющем большинстве случаев при проектировании и строительстве всевозможных инженерных сооружений ограничиваются, безусловно, необходимыми, стандартными (на сегодняшний день) инженерногеологическими изысканиями, в комплекс которых не входит геодинамическая диагностика.

На современном этапе геодинамическая диагностика горного массива наиболее рационально осуществляется без дорогостоящих буровых работ с помощью полевых геофизических методов в комплексе с ОР8-исследованиями (технологии спутниковой геодезии) и традиционными геодезическими методами.

Новые знания о характере распределения современной геодинамической активности в границах разломных структурных зон [7] и положение о формировании временно консолидированных блоков в пределах иерархически блочного горного массива - непрерывности процесса самоорганизации деформируемой блочной среды (д.т.н. А.Е. Балек), обозначили необходимость совершенствования методики определения количественных геодинамических параметров. В настоящее время геологические и геофизические методы используются для получения информации о структурной неоднородности массива, не дифференцируя изучаемый участок по степени геодинамической активности. Это существенно влияет на информативность и достоверность конечных результатов геодинамической диагностики горного массива.

Таким образом, развитие фундаментальных знаний о закономерностях существования иерархически блочного горного массива, вызвало необходимость совершенствования методики геодинамической диагностики при решении задачи обеспечения безопасности объектов недропользования.

Это определяет актуальность исследований, проведенных автором и представленных в данной работе.

Решаемая задача: разработка оперативной методики предварительного геодинамического районирования в комплексе геодинамической диагностики при выборе безопасных участков для ответственных объектов недропользования.

Цель диссертационной работы: исследование зависимости поля радоновых эманаций от современной геодинамики для повышения достоверности и оперативности геодинамической диагностики горного массива.

Идея работы: использование зависимости параметров поля радоновых эманаций в почвенном воздухе от параметров современной геодинамической активности для геодинамического районирования горного массива.

Объектом исследований является поле радоновых эманаций в почвенном воздухе иерархически блочного горного массива.

Предмет исследований - зависимость формирования поля радоновых эманаций от современной геодинамики в иерархически блочном горном массиве.

Научные положения, выносимые на защиту:

1 Временные вариации объемной активности радона, полученные путем режимных наблюдений, дифференцируют надразломный участок по степени современной геодинамической активности на основе учета зональности по степени раскрытия трещин и пор, а также параболической зависимости между изменением расхода флюида через трещины и поры при изменении степени их раскрытия и изменением его расхода.

2 Относительное превышение величины объемной активности радона в почвенном воздухе надразломных участков прямо пропорционально амплитудам и частотам цикличных геодинамических движений.

3 Распределение объемной активности радона в почвенном воздухе в пределах тектонического разрывного нарушения неравномерно, в соответствии с формированием вторичных самоорганизующихся структур в иерархически блочном массиве.

Научная новизна работы:

1 Установлено влияние зональности по степени раскрытия трещин и пор на достоверность геодинамического районирования на основе распределения временных вариаций поля радона.

2 Выявлена зависимость параметров поля радоновых эманаций от параметров и механизма современной геодинамической активности.

3 Установлен неравномерный характер распределения современной геодинамической активности в пределах разрывных структур в поле радоновых эманаций.

Практическое значение работы

Зависимость параметров поля радоновых эманаций от параметров и механизма современной геодинамической активности позволяет использовать радонометрию для оперативного геодинамического районирования, на основе которого целенаправленно и эффективно выполняется определение количественных параметров современной геодинамики при решении задачи обеспечения безопасности объектов недропользования.

Методы исследований. В работе использованы методы аналитического обобщения научной информации и практический опыт по изучаемому вопросу, натурные измерения объемной активности радона, численных параметров современной геодинамической активности с применением вРБ-технологий и классических методов геодезии, сопоставление геодинамических моделей, созданных по данным радонометрии и по результатам геодезических измерений.

Достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается современными представлениями о геодинамических процессах в верхних слоях литосферы, теоретическими исследованиями, применением апробированных методов исследования и опытом применения на практике, комплексностью экспериментальных исследований, удовлетворительной сходимостью результатов геодинамического районирования по данным радонометрии с распределением количественных параметров, определенных методами геодезии.

Апробация работы и публикации. Материалы и основные положения работы доложены на российских и международных конференциях. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 в журнале, рекомендованном ВАК.

Личный вклад автора. Исследования по теме диссертации выполнены автором за период с 2005 по 2012 гг. в лаборатории сдвижения горных пород Института горного дела УрО РАН под руководством д.т.н., заслуженного деятеля наук РФ А.Д. Сашурина. Автором лично проанализированы и обобщены опубликованные в специальной литературе теоретические положения по теме диссертации, разработаны и проведены экспериментальные исследования, практические проверки эффективности применения радонометрии для геодинамического районирования горного массива на действующих горных предприятиях и урбанизированных территориях.

Реализация работы осуществлена для решения практических задач обеспечения безопасности ответственных объектов на территории Естюнинского, Высокогорского, Гороблагодатского железорудных месторождений, месторождения нефти «Грибное», определении причин деформаций объектов в г. Екатеринбурге.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка, 4 таблицы, список литературы из 106 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Далатказин, Тимур Шавкатович

Вывод

Анализ распределения объемной активности радона в почвенном воздухе по площади диагностированных территорий и распределения количественных параметров современной геодинамики в ходе опытно-промышленных исследований подтвердил третье защищаемое положение

В результате выполненных опытно-промышленных исследований в различных горно-геологических условиях и на урбанизированной территории была установлена эффективность использования радонометрии для геодинамического районирования. Результаты опытно-промышленных исследований продемонстрировали:

1 Эффективность геодинамического районирования с использованием радонометрии для расширения научно-информационной базы о геодинамической ситуации на подрабатываемой территории горного массива ш. Естюнинская, сложенного магматическими породами с целью обеспечения безопасности охраняемых объектов, попадающих в зону влияния горных работ.

2 Достоверность геодинамического районирования с использованием радонометрии при проведении геодинамической диагностики массива с мощным осадочным чехлом на территории месторождения «Грибного» с целью определения параметров современных геодинамических движений, оценки их воздействия на охраняемые объекты и окружающую среду.

3 Оперативность, помехоустойчивость при решении задачи геодинамического районирования на урбанизированных территориях при проведении исследований на участке аварийного жилого дома в г. Екатеринбурге, ул. Мусоргского,6.

Заключение

В диссертации на основании выполненных экспериментальных и теоретических исследований решена актуальная научно-техническая задача проведения диагностики современной геодинамической активности горного массива с целью обеспечения безопасности ответственных объектов недропользования на основе геодинамического районирования с использованием радонометрии.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1 На основании современных научных представлений о структурно-геодинамической модели горного массива и анализа современных геолого -геофизических методов обоснован выбор радонометрии в качестве оптимального метода предварительного геодинамического районирования.

2 При разработке методики геодинамического районирования с использованием радонометрии теоретически определена параболическая зависимость временных вариаций объемной активности радона в пределах разломной зоны от изменяющихся во времени величин раскрытия трещин и пор. Экспериментально подтверждено влияние зональности по степени раскрытия трещин и пор на достоверность геодинамического районирования с использованием режимных наблюдений за полем эманаций радона.

3 Обосновано использование распределения градиента поля радона по площади исследуемого горного массива в качестве критерия оценки геодинамической ситуации.

4 Разработана методика устранения влияния нетектонических факторов на результаты геодинамического районирования с использованием радонометрии путем нормирования значений объемной активности радона в почвенном воздухе.

5 Экспериментально установлено соответствие геодинамического районирования по данным эманационной съемки и геодинамического районирования по данным (ЯР^-измерений современных короткопериодных геодинамических движений.

6 В результате проведенных опытно-промышленных проверок установлено:

- параметры поля радоновых эманаций зависят от параметров современной геодинамической активности;

- геодинамическое районирование с использованием радонометрии отражает весь спектр современных геодинамических движений;

- зависимость параметров поля радоновых эманаций от параметров и механизма современной геодинамической активности позволяет использовать радонометрию в комплексе геодинамической диагностики для оперативного геодинамического районирования;

- геодинамическое районирование горного массива на основе эманационной съемки позволяет оптимально проводить измерение количественных параметров современной геодинамической активности для обеспечения безопасности объектов недропользования;

- эффективность геодинамического районирования по данным радонометрии для массивов с мощным чехлом осадочных пород и помехоустойчивость на урбанизированных территориях.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Далатказин, Тимур Шавкатович, Екатеринбург

1. Далатказин Т. Ш. Диагностика современной геодинамической активности горного массива при строительстве и эксплуатации ответственных объектов Текст. / Т. Ш. Далатказин // Горный информ. аналит. бюл. - 2005. - № 11.-С. 120- 123.

2. Кострюкова Н. К. Локальные разломы земной коры фактор природного риска Текст. / Н. К. Кострюков, О. М. Кострюков. - М.: Изд-во Академии горных наук, 2002. - 239 с.

3. Сашурин А. Д. Почему мост «опустил крылья» Текст. / А. Д. Сашурин // Технадзор. 2009. - № 8. - С. 20 - 22

4. Кузьмин Ю. О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании Текст. / Ю. О. Кузьмин. М.: Агенство экологических новостей, 1999. - 220 с. '

5. Сашурин А. Д. Геомеханика в горном деле: фундаментальные и прикладные исследования Текст. / А. Д. Сашурин // Горный журнал. 2012. - № 1. - С. 29 -35

6. Кушнарев И. П. Методы изучения разрывных нарушений Текст. / И. П. Кушнарев. М.: Недра, 1977. - 248 с.

7. Мещеряков Ю. А. Избранные труды. Рельеф и современная геодинамика Текст. / Ю. А. Мещеряков. М.: Наука, 1981.-277 с.

8. Петухов И. М. Геодинамика недр Текст. / И. М. Петухов, И. М. Ватутина. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1999. - 256 с.

9. Герасимов И. П. Применение геоморфологических методов в структурно-геологических исследованиях Текст. / И. П. Герасимов, С. К. Горелов. М.: Недра, 1970. - 293 с.

10. Методическое руководство по изучению инженерно-геологических условий рудных месторождений при их разведке Текст. / ВСЕГИНГЕО. М.: Недра, 1997. - 143 с.

11. Тагильцев С. Н. Основы гидрогеомеханики скальных массивов Текст. / С. Н. Тагильцев. Екатеринбург: "УI I ГА, 2003. - 88 с.

12. Фридман А. И. Природные газы рудных месторождений Текст. / А. И. Фридман. М.: Недра, 1970. - 191с.

13. Проницаемость зон разломов в условиях горизонтального сжатия земной коры. Разломы земной коры Урала и методы их изучения Текст. / А. Л. Алейников и др. Свердловск: АН СССР УНЦ, 1983. - С. 39-43.

14. Кравцов А. И. Основные геологические закономерности распространения природных газов на территории СССР Текст. / А. И. Кравцов // Изв. вузов. Геология и разведка. 1962. - № 1. - С. 62 - 73.

15. Яницкий И. Н. Гелиевая съемка Текст. / И. Н. Яницкий. М.: Недра, 1973. -95 с.

16. Несмеянов С. А. Инженерная геотектоника Текст. / С. А. Несмеянов. -М.: Наука, 2004.-780 с.

17. Жданов М. С. Электроразведка: учебник для вузов Текст. / М. С. Жданов. -М.: Недра, 1986.-316 с.

18. Бабин В. С. Применение комплекса геофизических методов при поисках трещинных и жильных вод в гобийских районах Монголии Текст. / В. С. Бабин // Бюл. Московского общества испытателей природы. 1972. - № 7, вып. 5. - С. 48 - 54

19. Гавеля А. П. Методика и основные результаты электроразведочных работ при поисках подземных вод в Казахстане Текст. / А. П. Гавеля, Р. Н. Кириллов, П. М. Фролов // Состояние и задачи разведочной геофизики. М.: Недра, 1970. - 58 с.

20. Блох И. М. Электропрофилирование методом сопротивлений Текст. / И. М. Блох. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Недра, 1971. - 216 с.

21. Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии (методическое руководство) Текст. / под ред. Н. И. Плотникова и др.; ВСЕГИНГЕО. М.: Недра, 1972.

22. Хмелевской В. К. Основной курс электроразведки Текст. : в 3-х ч.: ч. 2. Электроразведка переменным током / В. К. Хмелевской. М.: Изд-во МГУ, 1971.-272 с.

23. Черняк Г. Я. Радиоволновые методы исследований в гидрогеологии и инженерной геологии Текст. / Г. Я Черняк, О. М. Мясковский. М.: Недра, 1973. - 175 с.

24. Вешев А. В. Электромагнитное профилирование Текст. / А. В. Вешев, В. Г. Инночкин, Г. Ф. Игнатьев. Л.: Недра, 1971. - 216 с.

25. Духовский А. А. Методические указания по геологической съемке масштаба 1: 50000: вып. 7. Геофизические исследования Текст. / А. А. Духовский, М. Г. Илаев, И. И. Кранидов. Л.: Недра, 1970. - 376 с.

26. Хмелевской В. К. Основной курс электроразведки Текст. : в 3-х ч.: ч. 1. Электроразведка постоянным током / В. К. Хмелевский. М.: Изд-во МГУ, 1970.-244 с.

27. Бондарев В. И. Основы сейсморазведки Текст. : учебное пособие для вузов / В. И. Бондарев. Екатеринбург: Изд-во УГГТА, 2006. - 332 с.

28. Выделение дизъюнктивных нарушений сейсмическими методами Текст. / Н. В. Умперович и др. // Труды / СНИИГГИМС. Сер. Региональная геология. -Вып. 97. Красноярск, 1970. - С. 7 - 18.

29. Сейсмоакустические методы изучения массивов скальных пород Текст. / А. И. Савич и др. М.: Недра, 1969. - 239 с.

30. Практикум по геофизическим методам исследований Текст. / Э. Н. Кузьмина и др. М.: Изд-во МГУ, 1970. - 136 с.

31. Гурвич И. И. Сейсморазведка Текст. / И. И. Гурвич. М.: Недра, 1975. -408 с.

32. Огильви А. А. Основы инженерной геофизики Текст. : учеб. для вузов / А. А. Огильви; под ред. В. А. Богословского. М.: Недра, 1990. - 501 с.

33. Аэрометоды геологических исследований Текст. / Лаборатория аэрометодов Министерства геологии СССР. Л.: Недра, 1971.- 704 с.

34. Гудилин И. С. Применение аэрометодов при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях Текст. : учебное пособие / И. С. Гудилин, И. С. Комаров. М.: Недра, 1978. - 319 с.

35. Проведение и исследование подземных вод природоохранного комплекса «Пыж» и построение термодинамического состояния дренажирования наоснове видеотепловизионных авиационных съемок Текст. / Р. Д.

36. Мухамедяров и др.; ООО «ЛУКОИЛ-Пермнефтеоргсинтез» (договор № 17 от 01.07.2006). Казань, 2006.

37. Веселов К. Е. Гравиметрическая разведка Текст. / К. Е. Веселов, М. У. Сагитов. М.: Недра, 1968. - 512 с.

38. Методические рекомендации по интерпретации геофизических данных при крупномасштабном геологическом картировании Текст. / Е. М. Ананьева и др. Свердловск, 1983. - 301 с.

39. Филатов В. В. Прогнозирование Березняковского золото-порфирового месторождения на основе тектонофизического анализа гравитационного поля Текст. / В. В. Филатов, Н. С. Кузнецов // Изв. вузов. Горный журнал. 1999. -№5/6.-С. 34-49.

40. Матвеев B.C. Наземные методы геофизики при изучении трещиноватости и водообильности скальных пород Текст. / В. С. Матвеев, Т. В. Судакова. -М.: ВИЭМС, 1976.-54 с.

41. Гринкевич Г. И. Магниторазведка Текст. / Г. И. Гринкевич. М.: Недра, 1971.- 272 с.

42. Инструкция по магниторазведке (наземная магнитная съемка, аэромагнитная съемка, гидромагнитная съемка) Текст. / Министерство геологии СССР. Л.: Недра, 1981.- 263 с.

43. Шолпо Л. Е. Использование магнетизма горных пород для решения геологических задач Текст. / Л. Е. Шолпо. Л.: Недра, 1977. - 182 с.

44. Жоголев Л. П. Магнитные свойства гранитоид в Центрального Казахстана Текст. : автореф. дис. . канд. геол.-мин. наук; Казахский филиал ВИГР. -Алма-Ата, 1969.

45. Федюк В. И. Микромагнитная съемка и ее геологические возможности Текст. / В. И. Федюк. М.: Госгеолтехиздат, 1958.-117с.

46. Мухаметшин А. М. Магниторазведка Текст.: учебное пособие для вузов/

47. A. М. Мухаметшин, В. Б. Виноградов. Екатеринбург: Изд-во УГТГА, 2003. -208 с.

48. Новые методы инженерной геофизики Текст. / В. М. Бондаренко и др. -М.: Недра, 1983. 224 с.

49. Радиометрические методы поисков и разведки урановых руд Текст. / В.

50. B. Алексеев и др. М.: Госгеолтехиздат, 1957. - 610 с.

51. Новые методы изучения современной геодинамики активизированных областей Текст. / Б. С. Панов и др. // Советская геология. 1981. - № 1.- С. 69-75.

52. Далатказин Т. Ш. Взаимосвязь уровня радоновой эмиссии с современной геодинамикой и тектоническими зонами Текст. / Т. Ш. Далатказин // Горный информ. аналит. бюл. - 2007. - №2. - С. 212-215.

53. Новиков Г. Ф. Радиоактивные методы разведки Текст. / Г. Ф. Новиков, Ю. Н. Капков. Л.: Недра, 1965.-759 с.

54. Перельман А. И. Геохимия элементов в зоне гипергенеза Текст. / А. И. Перельман. М.: Недра, 1972. - 288 с.

55. Горбушина Л. В. Эманационный метод индикации геодинамических процессов при инженерно-геологических изысканиях Текст. / Л. В. Горбушина, Ю. С. Рябоштан // Советская геология. 1975. - № 4. - С. 48 - 50.

56. Резонансные особенности эсхаляции природного радона Текст. / В. В. Адушкин и др. // ДАН. 2005. - т. 400. - № 3.

57. Методика измерения плотности потока радона с поверхности земли и строительных конструкций Текст. / НТЦ «Нитон» Москва, 1993. 6 с.

58. Шестаков В. М. Гидрогеодинамика Текст. : учебник / В. М. Шестаков. -М.:КДУ, 2009.-334 с.

59. Справочник гидрогеолога Текст. / под ред. М. Е. Альтовского. М.: ГНТИ литературы и охраны недр, 1962.- 61 с.

60. Валландер С. В Лекции по гидроаэромеханике Текст. / С. В. Валландер. -Л.: Изд-во ЛГУ, 1978. 296 с.

61. Сердюкова А. С. Изотопы радона и короткоживущие продукты их распада в природе Текст. / А. С. Сердюкова, Ю. Т. Капитонов. М.: Атомиздат, 1969.

62. Войткевич Г. В. Проблемы радиогеологии Текст. / Г. В. Войткевич. М.: Госгеолтехиздат, 1961.-272 с.

63. Граммаков А. Г. Физические и геологические основы методов разведочной радиометрии Текст. / А. Г. Граммаков, А. И. Никонов, Г. П. Тафеев. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по геологии и охране недр, 1957. - 308 с.

64. Радиоактивные беды Урала Текст. / В. И. Уткин и др.- Екатеринбург: УрО РАН, 2000.-93 с.

65. Возжеников Г. С. Радиометрия и ядерная геофизика Текст. / Г. С. Возжеников, Ю. В. Белышев. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2006. - 418 с.

66. Баранов В. И. Радиометрия Текст. / В. И. Баранов. М.: Изд-во АН СССР, 1955.-327 с.

67. Грацинский В. Г. О выделении радиоактивных газов из образцов горных пород под действием ультразвука Текст. / В. Г. Грацинский, Л. В. Горбушина, В. Г. Тыминский // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1967. - № 10. -С. 91-94.

68. Булашевич Ю. П. Башорин В. Н. Схема проницаемости разрывных нарушений земной коры северо-западного Казахстана по данным распределения гелия в подземных водах Текст. / Ю. П. Булашевич, В. Н. Башорин // Геотектоника. 1974. - № 3. - С. 33 - 67.

69. Панюков П. Н. Инженерная геология Текст. / П. Н. Панюков. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Недра, 1978. - 296 с.

70. Садовский М. А. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс Текст. / М. А. Садовский, Л. Г. Болховитинов, В. Ф. Писаренко. -М.: Наука, 1987. 100 с.

71. Геологический словарь Текст. : в 2-х т. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по геологии и охране недр, 1960.

72. Болтыров В. Б. Разломы и катастрофы. Текст. / В. Б. Болтыров, Ю. В. Нарышкин. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005. - 109 с.

73. Шерман С. И. Физические закономерности развития разломов земной коры Текст. / С. И. Шерман. Новосибирск. Наука, 1977. - 102 с.

74. Белоусов В. В. Структурная геология Текст. / В. В. Белоусов. 3-е изд. -М.: Изд-во МГУ, 1986. - 248 с.

75. Современная геодинамика и проблемы геомеханики в горном деле Текст. / А. Д. Сашурин и др. // Горный журнал. 2005. - № 12. - С. 102 - 107.

76. Сашурин А. Д. Диагностика геодинамической активности на участке недропользования Текст. / А. Д. Сашурин // Горный информ. аналит. бюл. -2004.- №6. -С. 185-187.

77. Сашурин А. Д. Проблемы геодинамической безопасности при разработке Высокогорского месторождения Текст. / А. Д. Сашурин, В. Ю. Сайтбурханов // Горный информ.- аналит. бюл. 2007. - № 1.-С. 210-214.

78. Сашурин А. Д. Диагностика геодинамической активности с целью обеспечения безопасности объектов недропользования Текст. / А. Д. Сашурин // Горный информ. аналит. бюл. - 2008. - № 6. - С. 274 - 278.

79. Балек А.Е. Процессы самоорганизации в иерархически блочной геомеханической среде при техногенном воздействии Текст. / А.Е. Балек, А.Л. Замятин //Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006.-№7.-С. 200-210.

80. Беликов В. Т. Определение пространственно-временных характеристик области разрушения с использованием долговременных аномалий концентрации радона Текст. / В. Т. Беликов, А. Ф. Шестаков // Физика Земли. 2007.- № 5. - С. 80 - 87.

81. Радиометр альфа активных газов РГА-500. Руководство по эксплуатации Текст. / МПР России. ФГУНПП «Геологоразведка». - СПб., 2005. - 14 с.

82. Новиков Г. Ф. Радиометрическая разведка Текст. : учебник для вузов / Г. Ф. Новиков. Л.: Недра, 1989. - 407 с.

83. Далатказин Т. Ш. Создание геодинамического полигона на территории г. Екатеринбурга Текст. / Т. Ш. Далатказин // Горный информ. аналит. бюл. -2008. -№ 1.-е. 181 - 184.

84. Геология СССР: Том XII, часть I. Геологическое описание. Кн. 2. М.: Недра, 1969. - 304 с.

85. Кузовков Г. Н. Государственная геологическая карта СССР масштаба 1:200000. Серия Среднеуральская Лист О-41-ХХУ. Объяснительная записка Текст. / Г. Н. Кузовков, Д. А. Двоеглазов, Д. С. Вагшаль. Свердловск: ПГО Уралгеология, 1987. - С. 84 - 170.

86. Гуляев А.Н. Зоны повышенной подвижности на территории Екатеринбурга Текст./ А.Н. Гуляев //Эколого-геологические проблемы урбанизированныхтерриторий, материалы второй Всероссийской научно-практической конференции/ УГГУ: Екатеринбург, 2009. С. 16 - 19.

87. Демина А.Ю. Предполагаемые зоны повышенной подвижности верхней части земной коры на территории Екатеринбурга Текст. / А.Ю. Дёмина и др.// Известия вузов. Горный журнал. 2007. - №6. - С. 111-114.

88. Гуляев А.Н. Подвижные зоны в верхней части земной коры Екатеринбурга Текст. / А.Н. Гуляев // Проблемы комплексных инженерных изысканий для всех видов строительства: материалы научно-практической конференции /УГГУ. Екатеринбург, 2009. - С. 30-33.

89. Геология СССР. Том XII Пермская, Свердловская, Челябинская и Курганская области. Полезные ископаемые Текст. / ред. Золоев К. К., Корольков, Перваго В. А. М.: Недра, 1973.- 632 с.

90. Диагностика геодинамической активности горных пород Естюнинскогоместорождения, мониторинг и прогноз развития процесса сдвижения при егоразработке Текст. : отчет о НИР (х/д № 7/04) / ИГД УрО РАН; рук. А. Д.149

91. Сашурин; исполн. А. А. Панжин, В. И. Ручкин, Т.Ш. Далатказин. -Екатеринбург, 2005. 136 с.

92. Гуляев А. Н. Неоднородность грунтов в основании фундаментов как основная причина повреждений зданий в Екатеринбурге Текст. / А. Н. Гуляев, А. Ю. Осипова, В. А. Щапов // Изв. вузов. Архитектон. 2011. - №4 (36).-С. 18-26

93. СП 11-104-97. Инженерно-геодезические изыскания для строительства Текст.-М., 1997.- 53 с.

94. Руководящий технический материал по изучению деформаций земной поверхности геодезическими методами на полигонах атомных электростанций Текст.: ГКИНП-10-186-84.

95. Инструментальный контроль процесса сдвижения при разработке Естюнинского месторождения Текст. : отчет о НИР / ЗАО «УИГ»; рук. Сашурин А.Д.; отв. исполн. Усанов С. В., исполн. Далатказин Т.Ш. -Екатеринбург, 2011. 72 с.