Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Совершенствование методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород в целях повышения экологической безопасности освоения недр и земной поверхности
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология
Автореферат диссертации по теме "Совершенствование методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород в целях повышения экологической безопасности освоения недр и земной поверхности"
На правах рукописи
Батугин Андриан Сергеевич
УДК 622.831:622.502 551.14 550343.4
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ БЛОЧНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД В ЦЕЛЯХ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОСВОЕНИЯ НЕДР И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ.
Специальность 25.00.36 - «Геоэкология»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
003443ЬЬЬ
Москва 2008
003449886
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 «МНИИЗКО ТЭК»), г. Пермь
Защита диссертации состоится i8.1t 2008 г. в /<?час. на заседании диссертационного совета Д 212.128.08 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 г.
Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн. наук В.М. Шек
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 1фупную 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 геодина-мически 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 1-У рангов, геологическое изучение проявления границ блоков 1-У 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, выпоснмые на защиту:
1. Метод оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород заключается в установлении степени геодинамической опасности для любого его участка по отношению п мощности сейсмоактивного слоя Н5 к мощности земной коры Н3 к.
2. Ориентировка действующих напряжений и вид напряженного состояния блочного массива определяются элементами залегапия 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/сугки) дебетами 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 1-У 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 геодинамнческой 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 геодинамичсской 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 днъюнктивная выражея-ность границ блоков каждого из рангов в горном массиве.
6. Установлена закономерность реализации паправлепия смещепия 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 техногенпых 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, Се-вуралбокситруда, 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 Еру-наковском 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 морфо-
метрическом 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, 19972007; 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 В НИМИ, Центра геодинамики недр МГТУ.
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. Сафохияу и В.В. Курехину, зам. директора ВНИМИ А.Н. Шабарову, зав. кафедрой ИЗОС Mi l У профессору C.B. 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, B.C. Сидорову, С.И. Петухову, коллективу лаборатории геодинамики ВНИМИ, коллективу кафедры ИЗОС Московского государственного горного университета.
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 гео-
экологический 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. Ватутин, П.В. Егоров, М.В. Курленя, Г.А. Марков, X. Нкпьсон, И.А. Турчанинов, Н. Хает, 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 Л.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. Сосновско-го, А.Н.Ставрогина, A.A. 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. Адушюша, П. Бароша, Г.М. Гелашвили, X. Гупта и Б. Растоги, В.А. Зубкова, A.A. Козырева, Т.И. Лазаревич, A.B. Ловчикова, A.A. Маловичко, Е.И. Микулина, A.B. Николаева, Н.И. Николаева, И.М.Петухова, В.Г..Селивоника, A.A. Спивака, Н.М. Сырникова, Д.Тейлора, В.М. Тряпицина, М.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, A.JI. Яншин, В.В. Белоусов, Л.И. Красный и др), в геоморфологии (A.B. 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. Ватутина, И.М. Петухов). Получили развитие тектонофизические и аналитические методы оценки напряженного состояния массива (Е.М. Anderson, M.B. 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.Ребецкий В.В. Сидоров и др.).
Отмечены суперинтенсивные деформации земной поверхности в промышленных районах (H.A. 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. Ватутина, 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, A.A. 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 раз-
ных 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 (X. 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 Нк определена по опубликованным данным, в частности, по карте Белявского. Мощность сейсмоактивного слоя Не определена по опубликованным данным о максимальных глубинах коровых землетрясений. Методами математической статистики показано, что полученная автором выборка данных №/Нк 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.
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, Нб/Нк, % 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 текто-нофизики, 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 ориентации 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 Т *, т, а, <У , Н .
Показатели г и г * характеризуют опасность внезапных сдвиговых подвижек по нарушениям. К опасным отнесены нарушения, для которых выполняется условие:
т*=ь/тц> 1,
где т„ — величина действующих в плоскости сместителя касательных напряжений; г,ф — расчетная величина касательных напряжений, достаточная для смещения крыльев нарушения по плоскому сместителю, определяемая из условия специального предельного состояния Гкр = ств-к, где сг„ -нормальное напряжение на сместителе, к - коэффициент трения.
Рис. 2-Графические решения определения ориентировки главных напряжений
I - Ш для модели «трещиноватой» среды: I - для границы блока, смещающей две плоскости; II -для совместного анализа границ блоков с установленной и неустановленной ориентацией вектора смещения; Ш - 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 а,, а2 и а3; 2 - сектор возможных ориентации вектора смещения 3; 4 - вектор, перпендикулярный линии скрещения плоскости нарушения со смещаемой плоскостью; 5 - место возможного положения проекции а^ 6 - проекция ттах; 7, 8 - области запрета на расположение соответственно а3 исть
Показано, что значения т * не зависят от величин главных напряжений, а определяются только их соотношением, ориентировкой нарушения в пространстве и значением к, зависящем от морфологии сместителя. Исходя из этого величину т можно определять с помощью серии теоретических стереограмм (рис.3).
При отсутствии данных о соотношении величин главных напряжений и морфологии сместителей, позволяющих оценить к, используется показатель г = г„ /гт1х, по которому оценивается положение сместителя от-
носйтельно площадок ттах. Значения г могут быть выражены в долях единицы или баллах.
Для оценки опасности возникновения тектонически напряженных зон на неровностях сместителей нарушений предложены показатели ст=а-п/<7тахи сг =сгп/<тш, где аш-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 Я измеряется в целых долях Ншт , где Нт„ определяется из методики геодинамического районирования, и интегрально характеризует активность современных тектонических движений соседних блоков. Опасность для инженерных сооружений по показателям Н ,т, а, а* 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 г *>1 в условиях Североуральского месторождения бокситов показал, что при г >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 Ь друг от друга. Тогда вероят-
21
ность попадания на одну из них объекта длиной К Ь равна Р = — (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 / с системой линейных нарушений, расстояния между которыми равно Ь\ 21
М = — (рис. 4а); я£
• вероятность попадания объекта длиной 1 < Ь частью или целиком на границу блоков, имеющих зону влияния шириной к.
/г 21 Р =-+-, рис 46;
£ + Ь л(Ь + 2й)
• вероятность пересечения объекта длиной 1<Ь при 1>И какой-
21
нибудь зоны нарушения (границы блока) шириною к. Р =- (рис.
я(Ь+2Ь)
4в);
• математическое ожидание числа пересечений объектом длиной 1> Ь, в том числе имеющего форму замкнутого контура или сети, парал-
21
лельных нарушений (границ блоков), имеющих ширину Ъ: М = —-г
я(Ь + 2Ь)
(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 П ранга Московской области ни одна не представлена протяженным смести-телем 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).
Цо=0
Цо=+1
а
б
в
Рис. 3 - Теоретические стереограммы значений:
х = Г" * - ап л _ ап а 1 3
а) г ;б)°" - ~; в) а ~ ~~ для случая ~~ и р = Ю . 1 ёб <2а & 1
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 (1-П ранг) блоков проявляются как линейные зоны повышенной геодинамической опасности при ведении горных работ (выбросоопасные зоны в Донбассе, зоны линейной трещинова-тости 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 во-допритоку, 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 трещино-ватости, 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 разработанпых методов оценено напряженное состояние блочного массива.
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.
м =
21_ яЬ
Р =
ж{Ь + 2А) при ¿>1,1 >/г
А/ = - ,-т
при Ь= 100 км, / = 500 км
М =
21
я{Ь + 2к)
к 0,5 10
М 3,2 2,7
в г
Рис. 4 - Решения новых задач типа задачи Бюффона: а - математическое ожидание числа пересечений сети инженерных объектов длиной I с границами блоков; б - г с учетом ширины зон б - вероятность пересечения границы блока целиком; в - математическое ожидание числа пересечений объектом длиной 1 границ блоков шириной Ь; полос шириной к, г -математическое ожидание числа пересечений контуром длиной / границ блоков шириной А.
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 унаследован-ность 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 тре-щиноватости или границами зон смены ориентировки трещин.
Горные удары отмечаются с меньших глубин, чем па 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.
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 геодимамически 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 горнотектонического 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 г, 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 г 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 горнотектонических 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 сме-стителям 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 горнотектонического ударов изложены автором в работах /Ватутин, Воинов, 1986; Ватутин, 1994; Ватутин, 1996; Прогноз, 1997 и др./.
Для доказательства закономерности нарастания опасности горнотектонических 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 255° (рис. 5). Вертикальной осью является ось промежуточных напряжений. В этом современном поле напряжений крупные нарушения № 8 и 9 северо-восточной ориентировки испытывают тенденцию к правому сдвиганию, а нарушение №10 северо-западной ориентировки - к левому (рис. 5 в).
По этим нарушениям, уходящим за границы шахтного поля, неоднократно отмечались подвижки их крыльев при горно-тектонических ударах. Результаты обследования сместителей нарушений № 8, №9, №10 показали, что они испытывали реверсивные подвижки при горно-тектонических
ударах, не считавшиеся с их прежней тектонической кинематикой, и направление подвижек подчинялось современному полю напряжений. Нарушение №10 работало как левый сдвиг (амплитуда смещения до 17 см), нарушения №9 и №8 - как правые сдвиги (амплитуда смещения 8-9 см). У всех нарушений во время горно-тектонического удара двигалось только одно из крыльев - то, породы которого могли смещаться в выработанное пространство.
Таким образом, для этого месторождения, находящегося на участке земной коры 4-й степени геодинамической опасности, отмечаются явления: во-первых, смещения крыльев крупных различно ориентированных нарушений происходят вдоль сместителей по направлениям, соответствующим ориентировке максимальных касательных напряжений современного тектонического поля в их плоскостях. Во-вторых, эти подвижки происходят в направлениях, которые не считаются с направлениями предыдущих тектонических смещений, т.е реализуются даже при высоких коэффициентах трения по сместителю. Это возможно при высоком запасе энергии в массиве и является, по мнению автора, характерной чертой участков 4-й степени геодинамической опасности.
На Североуральском бокситовом месторождении (участок 3-й степени по геодинамической опасности) напряженное состояние характеризуется субгоризонтальным направлением оси максимального сжатия с соотношением <ттах/сттш=2,5. Для Североуральского бокситового месторождения по результатам авторских и других исследований устанавливается унаследованное поле напряжений, т.е. тектоническая структура месторождения уже подготовлена к деформированию массива путем смещений блоков пород по существующим нарушениям. Результаты исследований показывают, что направления смещений по мелким внутриблоковым нарушениям при горных ударах распределены хаотично и подчиняются техногенному полю напряжений. Однако для крупных тектонических нарушений, соизмеримых с границами блоков IV ранга или являющихся этими границами, установлено соответствие направления смещений при четырех горнотектонических ударах (в период 1984-86 гг) направлениям имевшихся на них штрихов и борозд скольжения (табл. 2).
В современном поле напряжений нарушение 25-25, например, работает как правый сдвиг, нарушения 31-31 и 32-32 работают как правые взбросо-сдвиги, Восточный сброс испытывает тенденцию к взбросовому смещению крыльев (рис. 5, а, б). При горно-тектоническом ударе 5.10.84 г. по этим нарушениям произошли подвижки: по нарушению 31-31 висячее крыло нарушения переместилось на горизонте -320 м на 5 см вверх и на 3-4 см на восток, т.е. произошла правосдвиговая подвижка со взбросовой составляющей вдоль ранее существовавших штрихов и борозд скольжения; по Восточному сбросу регистрировались взбросовые перемещения; по нарушению 25-25 произошла правосдвиговая подвижка подвижка на 7 см также в направлении ранее существовавших штрихов и борозд скольжения. То
есть подвижки по крупным нарушениям произошли в направлении касательных напряжений тектонического поля напряжений регионального уровня. Кроме этого, некоторые из крупных тектонических нарушений, являясь границами блоков IV ранга, выходят на земную поверхность и поглощают поверхностные воды.
Таблица 2
Сопоставление ориентировки следов скольжения на крупных нарушениях до и после горно-тектонических ударов на СУБРе, шахта 15-15 бис.
Место наблюдения, название дизъюнктива Угол склонения штрихов скольжения на сместителе, Различие в ориентировке
«старые» следы скольжения После подвижки при горнотектоническом ударе Угол аз.пад/ уг.пад
1 Граница блоков 1-1 (нарушение 25-25) 25 10 15 28/20
2 2-й Северный сброс 115 125 10 12/16
3 Граница блоков 5-5 (нарушение 6-6) 10
4 Апофиза 3-го Северного сброса (нарушение 7-7) 100 90 10 28/20
5 Восточный сброс 70 75 5 9/18
Таким образом, «оживлению» нарушений на данном руднике Урала, находящегося на участке 3 степени по геодинамической опасности, способствуют, кроме высоких тектонических напряжений дополнительные факторы: унаследованность поля напряжений и периодическое влияние давления воды в плоскостях тектонических нарушений. • На участках 2-й степени геодинамической опасности, таких как северный Кузбасс или восточный Донбасс, горно-тектонические удары не были отмечены, но произошли землетрясения в период ликвидации шахт. По мнению автора, повышение уровня техногенной сейсмичности в период ликвидации шахт является следствием их затопления и провоцирования тем самым подвижек по крупным тектоническим нарушениям. Механизм землетрясений при затоплении шахт имеет общие черты с описанным выше механизмом горно-тектонических ударов и с механизмом землетрясений при заполнении водохранилищ и кратко заключается в следующем.
1 П 1 1 1 I I 1 I
тттттттттт
Рис. 5-Тектонофизическая модель горно-тектонических ударов на СУБРе (а, б) и угольной шахте Бейпяо (в)
1;
-2;
-4;
- 5: >=5> -6:
-7;
В; Ьчзг -9;
- 10.
1-тектонические нарушения; 2-граница блоков; 3-направление смещения крыла нарушения при горно-тектоническом ударе; 4-приподнявшееся крыло нарушения при горно-тектоническом ударе; 5-направление максимального сжатия в регионе; 6-направление современных касательных напряжений на смесителях нарушений; 7-кинематический тип нарушения; 8-гипоцентр горно-тектонического удара; 9-номера нарушений; 10-отработанное рудное тело.
На участках земной коры 2-й степени геодинамической опасности горизонтальные напряжения являются максимальными, но недостаточными для того, чтобы вызвать толчкообразные смещения по сместителям крупных нарушений (границам блоков), даже если они расположены благоприятно к направлению действия главных напряжений. По окончании ведения горных работ массив пород, подвергшийся техногенному воздействию, представляет собой разуплотненную структуру, с системами трещин, по которым передается гидростатическое давление при подъеме воды в затапливаемой шахте. Из-за повышения давления воды р нормальное сжатие крыльев затапливаемых нарушений постепенно уменьшается, что приводит к уменьшению механического контакта между ними. Это вызывает, в свою очередь, изменение траекторий главных нормальных напряжений вблизи сместителя в силу чего сдвигающие силы вдоль его плоскости возрастают. В какой-то момент растущие сдвигающие напряжения при уменьшающемся нормальном сжатии крыльев и вызывают внезапную подвижку по нарушению.
Например, в шахте «Анжерская» были отработаны пласты Десятый, Андреевский, Коксовый. На момент закрытия она имела глубину более 700 м, площадь шахтного поля около 4 км2. Затопление шахты началось в 1995 г., скорость подъема воды составляла в среднем 10 м/мес. В апреле 1997 г., когда подъем воды в шахте превысил 200 м, произошли землетрясения с М = 2,0 энергетического класса К = 7,3.
Тектонофизический анализ основных крупных дазъюнктивов шахтного поля показывает, что все они, за исключением крутопадающих запад-северо-западного простирания, расположены в плоскостях, близких к т^, т.е. благоприятно для развития по ним смещений и искривления осей главных напряжений вдоль плоскостей сместителей, табл. 3.
Таблица 3.
Тектонофизические условия для дизъюнктивов поля шахты «Анжерская».
Нарушение Аз пад. Угол пад. г. при сг„ /ет, при
1 32 70 0,97 0,7-0,77
2 25 80 0,97-0,99 0,8-0,84
3 240 70 0,82-0,5 0,53-0,59
4 300 75 0,99 0,75-0,77
Согласный взброс 282 45 0,97-0,61 0,35-0,55
В диссертационной работе рассчитано, что при искривлении осей главных напряжений вблизи сместителей нарушений 1-4 (табл. 3) превы-
шение сдвигающих сил над силой трения составит 12-18 МПа, что сопоставимо с прочностью нарушенного массива. Таким образом, напряжений, действующих вдоль плоскостей затопленных сместителей нарушений шахты «Анжерская», вполне достаточно для толчкообразного деформирования массива, нарушенного ведением горных работ.
В табл. 4 систематизированы условия, способствующие возникновению опасности горно-тектонических ударов при разработке месторождений на участках 2 - 4-й степени геодинамической опасности.
Таким образом, результаты исследований автора по особенностям проявления горно-тектонических ударов (техногенных землетрясений) на участках земной коры 2 - 4-й степеней геодинамической опасности позволяют отметить и сформулировать две закономерности:
• смещение крыльев региональных дизъюнктивов при горных ударах на рудниках и шахтах происходит в направлении действия современных касательных напряжений тектонического регионального поля напряжений на их сместителях;
• чем выше степень геодинамической опасности участка земной коры, тем меньше условий должно выполниться для реализации опасности горно-тектонических ударов с подвижками крыльев нарушений.
Таблица 4
Условия, способствующие возникновению опасности горнотектонических ударов на участках 2 - 4-й степеней геодинамической опасности
Степень геодинамичес^-'^" кой опасности^-^^ Условия 2-я 3-я 4-я
ПРИРОДНЫЕ
Наличие крупных дизъюнктивных нарушений да Да Да
Унаследованность современного поля напряжений да да не обязательно
Благоприятное расположение дизъюнктивов к осям напряжений да скорее да, чем нет не обязательно
ТЕХНОГЕННЫЕ
Наличие больших выработанных пространств да да Да
Гидростатическое давление воды в плоскостях сместителей да не обязательно не обязательно
В главе 9 рассматривается закономерность отражения в массиве границ блоков разных рангов (четвертое научное положение).
На более чем 30 объектах в период с 1981 по 2006 гг. автором были выполнены специальные сопоставительные работы по установлению геологической (тектонической) выраженности границ блоков в горном массиве на рудных и угольных месторождениях России, Украины, Китая, на нефтяных месторождениях, на объектах Московской области.
Всего изучено несколько сотен разноранговых границ блоков, из них более 50 -ти на поверхности и в горных выработках, остальные - на поверхности и путем сопоставления с имеющимися геолого-геофизическими данными. Результаты исследований границ блоков, выделяемых при геодинамическом районировании, позволяют говорить о четырех типах их проявления в горном массиве (табл. 5).
В табл. 6 показана установленная автором связь этих типов со степенью геодинамической опасности участка земной коры.
Из табл. 6 следует, что тектоническая выраженность границ блоков постепенно нарастает при снижении ранга и повышении степени геодинамической опасности участка земной коры. Например, границы блоков I ранга на участке 1 степени выражены как границы 3 и 4-го типов, а на участке 4 степени как границы 1,2, 3 и 4-го типов, т.е. тектонически более отчетливо. Таким образом, отмечается закономерность отражения в массиве границ блоков разных рангов: чем выше степень геодинамической опасности участка земной коры, тем более отчетливо проявляется дизъюнктивная выраженность границ блоков каждого из рангов в горном массиве.
Таблица 5
Типы тектонической выраженности границ блоков 1-У рангов в массиве
Тип Характер выраженности
1 Единый сместитель разрывного нарушения или серия субпараллельных сместителей
2 Серия чередующихся сместителей, расположенных друг за другом вдоль одной линии или кулисообразно смещенных
3 Линейные зоны развития мелких различно ориентированных сместителей, либо зоны развития сквозной трещиноватости и мелких нарушений с преобладанием трещин определенного направления
4 Линейные зоны изменения ориентировок основных систем трещин и значений их густот
Глава 10 посвящена доказательству закономерности нарастания геодинамической опасности от участков 1-й к участкам 4-й степени геодинамической опасности (пятое научное положение).
Таблица 6
Типы тектонической выраженности (по табл. 3) границ блоков 1-1У рангов на участках различной степени геодинамической опасности
Степень опасности участков 1ранг II ранг III ранг IV ранг
I 3-4 2-4 2-4 2-4
Ц 2-4 2-4 2-4 2-4
Ш 2-4 2-4 1-4 1-4
IV 1-4 1-4 1-4 1-4
Анализ опубликованных и полученных автором данных о проявлении геодинамической опасности показывает увеличение количества форм проявлений геодинамической опасности от участка 1-й к участку 4-й степени опасности усиление ее интенсивности (табл. 7), а именно:
• на участках 1-й степени геодинамическая опасность отмечается в двух формах: повышенная аварийность на инженерных сооружениях в геодинамически опасных зонах и предположительно техногенные землетрясения до 2-х баллов;
• на участках 2-й степени интенсивность проявления геодинамической опасности в имевшихся на участке 1-й степени формах увеличивается (техногенные землетрясения до 4 баллов, аварийность на инженерных объектах на прежнем уровне) и проявляется еще в трех других формах (горные удары на угольных шахтах с глубин 200-700 метров, сейсмичность при затоплении шахт, удароопасные рудные месторождения);
• на участках 3-й степени интенсивность проявления геодинамической опасности в имевшихся на участке 2-й степени формах увеличивается (техногенные землетрясения до 7 баллов, начальная глубина проявления горных ударов снижается до 150 метров, увеличивается количество удароопасных месторождений) и проявляется дополнительно в других формах: горнопромышленные районы с техногенной сейсмичностью, удары горно-тектонического типа, «оживление» нарушений при ведении горных работ;
• на участках 4-й степени интенсивность проявления геодинамической опасности во всех имевшихся на участке 3-й степени формах увеличивается (техногенные землетрясения до 8 баллов, аварийность на магистральных трубопроводах увеличивается в 2 раза, количество плотин с техногенной сейсмичностью, удароопасных месторождений, месторождений нефти и
газа с техногенной сейсмичностью увеличивается в несколько раз.
Кроме того, от участка 1-й к участку 4-й степени опасности увеличивается геодинамический риск за счет повышения вероятности попадания инженерного объекта в геодинамически опасную зону (рис. 6 и 7).
0,15
0,1
0,05
Степень
IV гдо
Рис. 6. Вероятность попадания объектов длиной 100 и 500м на границу блока IV ранга
Рис. 7. Математическое ожидание числа пересечений объектом длиной 100 и 500 км 2-х систем границ блоков I и П рангов
Таблица 7
Характеристика нарастания геодинамической опасности для территорий северной Евразии_
Характеристика геодинамической опасности Степень геодинамической опасности участка земной коры
1 2 3 4
Минимальная глубина проявления горных ударов нет 200-700 150-200 150
Проявление горно-тектонических ударов, баллы нет нет до 6-7 до 8
Амплитуда смещений крыльев крупных нарушений при горно-тектонических ударах, см 0 0 до 10 до 17
Техногенная сейсмичность на водохранилищах, % от общего количества 0 10 10 80
Техногенная сейсмичность при разработке месторождений нефти и газа, % от общего количества 0 10 25 65
Наличие удароопасных рудных месторождений, % от указанных в Инструкции..., 1989 0 10 40 50
Наличие удароопасных угольных месторождений, % от указанных в Инструкции...1988 0 4 22 76
«Оживление» нарушений при ведении горных работ - - да да
Горно-промышленные районы с техногенной сейсмичностью 0 0 да да
Интенсивность максимального расчетного землетрясения, баллы 5 б 6-7 >10
Количество аварий на 1000 км магистральных трубопроводах (неполные данные) 0,21-0,22 0,43
Вероятность попадания объекта длиной 500 м в геодинамически активную зону IV ранга 0,03 0,04 0,053 0,158
Математическое ожидание числа пересечений линейного объекта длиной 500 км двух систем геодинамически активных зон 1-П рантов. 1,0 2,13 4,24 15,8
Интегральная гистограмма распределения объектов с зарегистрированными % проявлениями техногенной сейсмичности по участкам различной степени 50 геодинамической опасности 30 «0-
На рис. 8 представлена гистограмма, дающая представление о нарастании разнообразия и интенсивности проявления геодинамической опасности от участка 1-й к участку 4-й степени геодинамической опасности: переход от участка к участку сопровождается появлением все новых форм геодинамической опасности и усилением интенсивности проявления встречавшихся ранее.
На рисунке постепенное укрупнение определенного условного знака означает усиление данного вида опасности для участка.
Таким образом, выявляется закономерность: чем больше мощность слоя предельно напряженных пород, тем более разнообразно и сильно проявляется геодинамическая опасность для участков земной коры.
В главе 11 дано обоснование выбора инженерных мер защиты окружающей среды при освоении недр и земной поверхности на участках различной степени геодинамической опасности и приведена систематизация этих мер в виде таблицы.
Степень опасности
Рис. 8-Нарастание количества форм проявления и интенсивности геодинамической опасности
1- Ш-2-Ш-3-
-4:
1-6:
-7
1 - аварийные зоны на линейных объектах; 2 - удароопасные угольные месторождения; 3 - удароопасные рудные месторождения; 4 - горнотектонические удары на угольных месторождениях; 5 - горнотектонические удары на рудных месторождениях; 6 - техногенные землетрясения; 7 - оживление тектонических нарушений при ведении горных работ.
Идея такой систематизации базируется на установленных закономерностях и состоит в дифференциации мер защиты окружающей среды в про-
странстве двух переменных: тип инженерного объекта и степень геодинамической опасности места расположения данного объекта.
Для примера в диссертации дифференциация мер защиты окружающей среды (и инженерных сооружений) приведена в таблице для 12-ти типов важнейших инженерных сооружений (рудники (шахты), магистральные трубопроводы, мосты и мостовые переходы, химические объекта, атомные станции, тепловые электростанции, гидроэлектростанции, типовое градостроительство, поверхностные и подземные хранилища отходов, прецизионные сооружения) и четырех степеней геодинамической опасности. Общее число рекомендуемых мер защиты более 50. Так, при разработке месторождений на участках 1-й степени инженерные меры защиты от геодинамической опасности не требуются; на участках 2-й степени для удароопасных месторождений могут потребоваться меры борьбы с горными ударами и ограничение глубины затопления шахт и карьеров; на участках 3-й и 4-й степеней добавятся меры профилактики горнотектонических ударов, планирование размещения опасных объектов и объектов жизнеобеспечения в горнопромышленных районах.
Чрезмерное разнообразие инженерных сооружений по функциональному назначению, масштабам, сложности и важности, конструктивным и другим параметрам, а также условиям строительства и эксплуатации ориентирует на расширение концепции эффективного управления процессом защиты сооружений и окружающей среды по обстоятельствам (ситуационное управление) с учетом полученных результатов и требует дальнейших как фундаментальных, так и широких прикладных исследований и ОКР.
В качестве задач дальнейших авторских исследований рассматривается: уточнение границ участков различной степени геодинамической опасности; развитие методики оценки геодинамического риска; обоснование и разработка инженерных мер по защите окружающей среды; разработка рекомендаций по включению в ОВОС разделов о геодинамическом воздействии предприятия на окружающую среду и составлению соответствующих разделов в проектах по комплексному освоению регионов с учетом полученных результатов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации, являющейся квалификационной научной работой, приводится решение научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение -совершенствование методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород для изучения изменений жизнеобеспечивающих ресурсов недр и земной поверхности под влиянием антропогенных факторов.
Решение этой проблемы базируется на многолетних теоретических и экспериментальных исследованиях, проведенных автором на угольных месторождениях Кузнецкого, Донецкого угольных бассейнов, месторожде-
ниях Бейпяо и Монтего в Китае, на рудных месторождениях Урала, Норильска, нефтяных месторождениях Удмуртии и Шан-зи в Китае, на трассах трубопровода Сургут-Куйбышев, трассе железной дороги Санкт-Петербург-Москва-Кемерово, на территории Московской области и др. объектах.
Основные результаты, выводы и рекомендации, полученные в результате проведенных исследований, следующие:
1. Разработана и обоснована классификация участков земной коры по степени их геодинамической опасности и составлена соответствующая схема для части северной Евразии.
Показано, что в качестве основного классификационного признака может быть использовано процентное отношение п мощности сейсмоактивного слоя Н5 к мощносш земной коры Нз к. На основе анализа имеющихся данных по максимальным глубинам гипоцентров коровых землетрясений, карты мощности земной коры и исследований автора по геодинамическому районированию территории северной Евразии выделено четыре класса (типа) участков. Участки 1-й, наименьшей степени геодинамической опасности имеют п = 0%; участки 2-й степени имеют п = 025%; участки 3-й степени имеют п = 25-50%; участки 4-й степени имеют п > 50 %. Геометрические очертания зон, различных по степени геодинамической опасности, обусловлены формой мегаблоков северной части Евразийской плиты, выявленных методом геодинамического районирования. Анализ результатов исследований автора и эмпирических данных по проявлению геодинамической опасности в 11 различных формах на данной территории показывает нарастание разнообразия ее форм и интенсивности от участков 1 к участкам 4 степени геодинамической опасности. •
2. Теоретически обоснованы и проверены в шахтных и полевых условиях Кузбасса, СУБРа, Чутырско-Киенгопского месторождения Удмуртии и ряда других объектов усовершенствованные тектонофизические методы оценки напряженного состояния блочного массива. В качестве исходных данных в методах определения ориентации осей современного поля напряжений предложено использовать характеристики пространственного положения границ блоков, выделяемых при геодинамическом районировании территорий. В усовершенствованных методах могут совместно анализироваться нарушения с установленной и неустановленной ориентацией вектора смещения, с ограниченным сектором возможных ориентации вектора смещения.
3. Теоретически обоснован и использован на месторождениях и других объектах метод оценки опасности границ блоков и разрывных нарушений горного массива по показателям, характеризующим их выраженность в современном рельефе земной поверхности и ориентировку относительно осей главных напряжений. Для оценки опасности разрывных нарушений, сместители которых па всю длину или на отдельных участках могут рас-
сматриваться как плоские поверхности, обосновано применение показателя, учитывающего отношение действующего в плоскости сместителя касательного напряжения к критическому, необходимого для преодоления трения между крыльями нарушения. Показано, что исходными данными для такой оценки могут служить такие значения следующих параметров как: ориентировка плоскости сместителя относительно осей главных напряжений, отношение величин максимального и минимального главных напряжений, значение коэффициента Лодэ -Надаи ца и коэффициента трения крыльев нарушения по сместителю. Для плоских сместителей обосновано также использование показателя О, учитывающего степень сжатия плоскости сместителя. Для практического использования данной разработки построены теоретические стереограммы значений показателей опасности.
4. Предложен, теоретически обоснован и использован практически подход к оценке геодинамического риска. Получены формулы оценки риска попадания инженерного или природного объекта, в том числе сетей объектов, в геодинамически опасную зону (на границу блока определенного ранга) с учетом или без учета ширины ее зоны влияния. Данный подход основан на решении задач типа задачи Бюффона и может быть использован на любой территории и для любых объектов.
5. Предложена и обоснована теьстоно физическая модель возникновения смещений по региональным дизъюнктивам при горно-тектонических ударах, согласно которой в подвижках крыльев крупных нарушений при горно-тектонических ударах реализуется процесс тектонических движений блоков земной коры соответствующего ранга. Данная модель основана на результатах шахтных наблюдений, проведенных автором в 1982-86 годах на СУБРе и в 1990-92 годах на угольном месторождении Бейпяо в КНР. По результатам исследований очаговых зон горно-тектонических ударов установлено, что подвижки по крупным тектоническим нарушениям при горно-тектонических ударах происходят в направлении касательных напряжений на их сместителях, создаваемых тектоническим полем напряжений соответствующего ранга. Направление подвижки по сместителям крупных нарушений увязывается с направлением тектонических сил в регионе, несмотря на влияние измененного от ведения горных работ поля напряжений, поскольку измененное горными работами поле напряжений имеет более низкий масштабный уровень и может вызывать подвижки только по соответственно более мелким нарушениям и с меньшим выделением энергии.
6. Предложена и обоснована тектонофизическая модель техногенных землетрясений при затоплении шахт. Механизм этих землетрясений имеет общие черты как с механизмом горно-тектонических ударов с подвижкой крыльев тектонического нарушения, так и механизмом землетрясений при заполнении водохранилищ. При затоплении шахты повышающееся гидростатическое давление, передаваемое через макротрещины массива, постепенно снижает нормальное сжатие крыльев крупных дизъюнктивов, что
приводит к уменьшению их механического контакта и изменению траекторий действия главных напряжений, создавая тем самым условия для роста сдвигающих сил вдоль сместителей. Под действием увеличивающихся сдвигающих напряжений и снижения нормального сжатия происходит толчкообразное смещение одного из крыльев нарушений в сторону разуплотненного пространства, нарушенного ведением горных работ с выделением сейсмической энергии.
7. На основе теоретического анализа результатов экспериментальных работ, проведенных на участках 1-4-й степеней геодинамической опасности установлены следующие закономерности:
• закономерность отражения в горном массиве границ блоков I -V рангов, выделяемых при геодинамическом районировании. Эта закономерность заключается в том, что дизъюнктивная составляющая границ блоков усиливается с увеличением степени геодинамической опасности участка земной коры. Выделено четыре градации дизъюнктивной выраженности в массиве границ блоков, от зон аномально проявленной трещи-новатоста до сквозных протяженных дизъюнктивов. Показано, что в пределах участка земной коры любого типа по степени геодинамической опасности границы относительно мелких блоков имеют более выраженную дизъюнктивную составляющую, чем границы крупных блоков.
• закономерность в реализации направления смещения крыльев региональных дизъюнктивов при горных ударах на рудниках и шахтах, расположенных в участках земной коры 3-й и 4-й степени по геодинамической опасности. Эта закономерность заключается в том, что смещение крыльев нарушений происходит по направлению действия современных тектонических сил на сместителях и в сторону отработанного пространства
• закономерность нарастания геодинамической опасности при изменении мощности сейсмоактивного слоя земной коры, заключающаяся в том, что разнообразие форм, интенсивность ее проявления, геодинамический риск нарастают от участков 1 к участкам 4 степени геодинамической опасности.
10. Систематизированы инженерные меры по снижению воздействия на окружающую среду при освоении недр и земной поверхности в зависимости от типа участка по степени геодинамической опасности.
Предложены и оформлены в виде патентов способы захоронения радиоактивных и других вредных отходов, способы разработки нефтяных и газовых месторождений с учетом результатов их геодинамического районирования, способы выделения опасных учаспков горного массива.
Основные положения диссертации опубликованы как разделы методических указаний «Геодинамичское районирование недр», Л., ВНИМИ, 1990, в справочном пособии «Управление геодинамическим состоянием массива горных пород», Л., ВНИМИ, 1994, в монографии «Каталог основных данных по геодинамике месторождений» Л., ВНИМИ, 1988, во «Временных указаниях по выявлению и контролю зон риска возникновения
аварий и чрезвычайных ситуаций при освоении недр и земной поверхности на основе результатов геодинамического районирования», 1997 12с., докладывались на Российских и международных конференциях и симпозиумах.
Основные результаты работы опубликованы в 35 научных работах, в том числе:
Опубликованные в изданиях, включенных в «Перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий...» ВАК:
1. Шабаров А.Н., Дупак. Ю.Н., Ватутин A.C. Тектонически-напряженные и разгруженные зоны в горном массиве,// Уголь, 1994. №7, с. 28-30.
2. Ватутин A.C., Шабаров А.Н. Опыт и перспективы применения метода геодинамического районированияУУ голь, 1995, №10, с.46-47.
3. Ватутин A.C., Петухов И.М. К оценке напряженного состояния участков земной коры.// Горный информационно-аналитический бюллетень, 1988. №1, с.146-151.
4. Ватутин A.C. Роль метода геодинамического районирования при разработке мероприятий по инженерной защите окружающей среды. // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2002, № 2, с. 179-181.
5. Ватутин A.C., Климанова В.Г. Затопление ликвидируемых шахт как возможная причина техногенных землетрясений в горнопромышленных районах.// Горный информационно-аналитический бюллетень, 2002, № 2, с. 181-184.
6. Ватутин A.C. Прогноз метаноносных зон на основе метода геодинамического районирования.// Горный информационно-аналитический бюллетень, 2005. Тематическое приложение «Метан», с. 170-180.
7. Ватутин A.C. К механизму землетрясения 25.04.97 и 27.04.97 на севере Кузбасса// Горный информационно-аналитический бюллетень, 2006. №2, с.185-189.
8. Ватутин A.C. К оценке геодинамического риска // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2006, № 9, с. 35-42.
9. Ватутин A.C. Закономерности пространственного изменения геодинамической опасности // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2007, № 12, с. 36-43.
Опубликованные в других изданиях:
1. Методические указания по профилактике горных ударов с учетом геодинамики месторождений, (раздел 6.2) - JL; ВНИМИ, 1983. - 118 с.
2. Ватутин A.C. Оценка напряженного состояния массива горных пород в блоковых структурах с использованием геологических данных // Профилактика горных ударов при проектировании и строительстве шахт. Сб. науч. тр. - Л.; ВНИМИ, 1985. - с. 45-47.
3. Ватутин A.C., Воинов К.А. Сравнительная оценка тектонофизиче-ского и сейсмического методов определения ориентировки главных нор-
мальных напряжений // Совершенствование технологии сооружения горных выработок. Сб. науч. тр. Кемерово.: КузПИ. - 1986. - С. 102-106.
4. Каталог основных данных по геодинамике месторождений. - JL; ВНИМИ. - 1988. — 56 с.
5. Установление напряженного состояния массива горных пород по тектонофизическим исследованиям с учетом его блочного строения // И.М. Ватутина, И.М. Петухов Геодинамическое районирование месторождений при проектировании и эксплуатации рудников. - М., Недра, 1988. - с. 8897.
6. Геодинамическое районирование недр. Методические указания, (разделы 2, 3,4, 5, 6, 7, 9) - Л.; ВНИМИ, 1990. - 129 с.
7. Ватутина И.М., Ватутин A.C., Сурунов Н.Ф., Гелашвили Г.М. Анализ условий, механизма проявления и энергии землетрясений на основе геодинамического районирования // Геодинамика месторождений,-Кемерово, 1990, с. 17-23.
8. Ватутин A.C. О методике реконструкции направлений главных напряжений в массиве пород / Геодинамика месторождений. - Кемерово, 1991.- с. 34-37.
9. Вяткин И.А., Ватутин A.C. Геоморфологические методы оценки взаимодействия блочных структур П и 1П ранга на территории нефтеносных районов Удмуртии // Геодинамика месторождений. - Кемерово, 1991. -с. 131-138.
10. Ватутина И.М., Петухов И.М., Шабаров А.Н., Ватутин A.C. О геодинамическом районировании месторождения Бейпяо. // Доклады II Международного симпозиума по современным технологиям добычи угля. -Фусин. КНР. 1993. - с. 274-277.
11. Управление геомеханическим состоянием массива горных пород: Справочное пособие. - СПб.: ВНИМИ, 1994. - 259 с. (раздел 2 «Напряженное состояние нетронутого блочного массива горных пород»),
12. Ватутин A.C. Об оценке активного влияния нарушений на условия ведения горных работ // Горное давление, горные удары и сдвижение массива. Сб. науч. тр. Часть I. - СПб.: ВНИМИ, 1994. - с.143-149.
13. Ватутин A.C. К механизму проявления подвижек по сместителям нарушений при горно-тектонических ударах // Горное давление, горные удары и сдвижение массива. Сб. науч. тр. Часть 1гСПб.: ВНИМИ, 1994. - с. 157-160.
14. Ватутин A.C. Особенности геодинамического районирования участков земной коры, различных по тектонофизическому состоянию / Международный симпозиум по горным ударам и внезапным выбросам в шахтах. 5-9 июня 1994II Рефераты докладовгСПб.: ВНИМИ, 1994. - с. 45.
15. Ватутин A.C. Об условиях внезапного смещения крыльев дизъ-юнктивов на удароопасных месторождениях / Международный симпозиум
по горным ударам и внезапным выбросам в шахтах. 5 -9 июня 1994 //Рефераты докладов.-СПб.: ВНИМИ, 1994. - с. 5-6.
16. Ватутин A.C. К механизму горно-тектонических ударов // Доклады международной конференции «Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики» (Дополнительный сборник), 1996.гСПб.: ВНИМИ, 1996. - с. 97-101.
17. Петухов И.М., Шабаров А.Н., Ватутин A.C., Петухов С.И. Необходимость геодинамического районирования нефтегазоносных полей на шельфе морей России и других стран СНГ //Тезисы докладов симпозиума «Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология» IV Международного форума «Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ, 29 октября - 2 ноября 1996.-СП6.: 1996. - с. 93-94.
18. Опыт применения метода геодинамического районирования недр // Раздел 6.6 в кн.: И.М. Петухов, И.М. Ватутина, Геодинамика недр.-М.,
1996, с.106-128.
19. Ватутин A.C. Классификация участков земной коры по степени геодинамической опасности //3-я международная конференция "Экология и развитие северо-запада." - СПб.: 1996. - с. 263 - 267.
20. Ватутин A.C. О закономерности отражения границ блоков в горном массиве // II Международное рабочее совещание. Проблемы геодинамической безопасности. 24-27 июня 1997. - СПб., ВНИМИ, 1997. - с.312-317.
21. Прогноз и предотвращение горных ударов на рудниках / Под редакцией И.М. Петухова, А.М. Ильина, К.Н.Трубецкого. - М., Изд. АГН, 1997 (разделы 5,7).
22. Ватутин A.C. Классификация участков земной коры по степени их геодинамической опасности.// Сб. науч. тр. ВНИМИ. - СПб.: ВНИМИ,
1997.-с. 206-213.
23. Указания по проявлению и контролю зон риска возникновения аварий и чрезвычайных ситуаций при освоении недр и земной поверхности на основе результатов геодинамического районирования / И.М. Петухов, Н.В. Кротов, А.Н. Шабаров, A.C. Ватутин и др. - СПб.: 1997.
24. Ватутин A.C., Климанова В.Г. Оценка влияния глубины затопления ликвидируемых шахт на повышение геодинамической опасности // Деформирование и разрушения материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках.-Симферополь. - 2000. - С. 26-27.
25. Алексеев В.К., Ватутин A.C., Ватутина И.М. и др. Геодинамическое районирование территории Московской области. — Ступино: «СМТ», 2003 -126 с.
26. Ватутин A.C., Климанова В.Г. О связи техногенной сейсмичности Кузбасса с процессом затопления шахт / Proceedings of XII international congress of international society for mine surveying. Fuxin-Bejing, China, 20-26 September. 2004. - p. 478-479.
Подписано в печать. 16.07.2008. Формат 60x90/16
Объем 2 печ.л._Тираж 100 экз._Заказ №
Отдел печати Московского Государственного горного университета Москва, Ленинский проспект, 6.
Содержание диссертации, доктора технических наук, Батугин, Андриан Сергеевич
ВВЕДЕНИЕ.
ЧАСТЬ I РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ БЛОЧНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД.
ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.
1.1 Геодинамическая опасность как разновидность экологической опасности.
1.1.1 Техногенная сейсмичность при разработке рудных и угольных месторождений.
1.1.2 Возникновение горнопромышленных районов с техногенной сейсмичностью как современный этап нарастания геодинамической опасности.
1.1.3 Техногенная сейсмичность на других инженерных объектах.
1.1.4 Представления о механизме техногенных землетрясений.
1.1.5 Другие проявления геодинамической опасности.
1.2 Классификации участков земной коры по сейсмической опасности и по напряженному состоянию.
1.2.1 Районирование территорий по сейсмической опасности.
1.2.2 Карты напряженного состояния земной коры.
1.3 Методы оценки геодинамической опасности.
1.3.1 Геодинамический риск и районирование reo динамической опасности.
1.3.2 Дискретность в проявлении строения, свойств, энергии в земной коре.
1.4 Инженерные методы защиты от геодинамической опасности.
1.5 Цели и задачи исследования.
ГЛАВА 2 ОЦЕНКА ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА НА ОСНОВЕ КЛАССИФИКАЦИИ УЧАСТКОВ ЗЕМНОЙ КОРЫ ПО СТЕПЕНИ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ.
2.1 Цель классификации участков земной коры по степени геодинамической опасности.
2.1.1 Анализ существующих классификаций.
2.1.2 Задачи классификации.
2.2 Обоснование классификационного признака классификации участков земной коры по степени геодинамической опасности.
2.2.1 Коровая сейсмичность как отражение предельно напряженного состояния земной коры.
2.2.2 Сейсмоактивный слой земной коры как слой предельно напряженных участков массива.
2.2.3 Особенности поведения массива в зонах предельно напряженного состояния.
2.2.4 Относительная мощность сейсмоактивного слоя в земной коре как основной классификационный признак.
2.3 Оценка мощности слоя предельно напряженных пород для территории Северной Евразии.
2.3.1 Оценка мощности слоя предельно напряженных пород расчетными методами.
2.3.2 Оценка мощности слоя предельно напряженных пород по данным о глубинах гипоцентров коровых землетрясений.
ГЛАВА 3 РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ГЕО ДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УЧАСТКОВ ЗЕМНОЙ КОРЫ С УЧЕТОМ ИХ СТЕПЕНИ
ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ.
3.1 Общие положения.
3.2 Выделение блоков в районах с выровненным рельефом.
3.3 Оценка динамического взаимодействия блоков на основе геоморфологических данных.
3.4 Выделении тектонически напряженных и разгруженных зон для границ блоков кулисообразного строения.
3.5 Совершенствование методов тектонофизического анализа нарушенное™.
3.5.1 Метод анализа двух нарушений с неустановленной ориентацией вектора смещения.
3.5.2 Метод анализа данных о разломах с ограниченным сектором возможных ориентаций вектора смещения.
3.5.3 Метод анализа разнотипных данных о характере смещения по разлому.
3.5.4 Пример реализации предлагаемых методов на СУБРе.
3.6 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.
3.6.1 Оценка геодинамической опасности границ блоков.
3.6.2 Оценка геодинамической опасности шахтных дизъюнктивов.
3.7 Оценка и анализ геодинамического риска.
ЧАСТЬ П ОЦЕНКА ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УЧАСТКОВ ЗЕМНОЙ КОРЫ С РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНЬЮ ГЕО ДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ.
ГЛАВА 4 Оценка геодинамического состояния участков 1 степени геодинамической опасности.
4.1 Центральная часть Западно-Сибирской низменности.
4.2 Территория Московской области.
4.2.1 Выявление блочной структуры территории.
4.2.2 Отражение границ блоков II ранга в тектонической структуре территории.
4.2.3 Отражение границ блоков II ранга в неотектонической структуре региона.
4.2.4 Отражение границ блоков в проявлении современных геологических процессов и явлений.
4.2.5 Связь блочной структуры II ранга и сейсмичности региона.
4.3 Проявление геодинамической опасности в Московском регионе.
ГЛАВА 5 ОЦЕНКА ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УЧАСТКОВ
СТЕПЕНИ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ.
5.1 Шахтные поля г.Донецка.
5.1.1 Выявление блочной структуры шахтных полей I-IV рангов и оценка динамики взаимодействия блоков.
5.1.2 Выделение границ блоков V ранга и интерпретация их границ.
5.1.3 Оценка напряженного состояния массива методами тектонофизики и выделение тектонически напряженных зон.
5.1.4 Характеристика геодинамической опасности.
5.2 Нефтяные месторождения Удмуртии.
5.2.1 Анализ положения границ блоков I—Ш рангов.
5.2.2 Результаты полевых геоморфологических наблюдений в пределах Ижевского блока.
5.2.3 Оценка напряженного состояния Ижевского блока и его влияние на условия разработки месторождений нефти.
5.3 Шахтные поля северной части Кузбасса.
5.3.1 Характер выраженности границ блоков в рельефе земной поверхности.
5.3.2 Геологическая интерпретация границ блоков.
5.3.3 Влияние геодинамического состояния массива на условия ведения горных работ.
5.3.4 Геодинамическое районирование шахтного поля в Ленинск—Кузнецком районе Кузбасса.
ГЛАВА 6 ОЦЕНКА ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УЧАСТКОВ
СТЕПЕНИ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ.
6.1 Североуральское месторождение бокситов "Красная Шапочка" (СУБР).
6.1.1 Характер тектонической выраженности границ блоков в горном массиве.
6.1.2 Оценка напряженного состояния массива пород на руднике методами тектонофизики.
6.1.3 Условия оживления тектонических нарушений на руднике.
6.2 Месторождения Кургазакское и Алексеевское (Южно—Уральские бокситовые месторождения (ЮУБР).
6.2.1 Характеристика блочного строения района и шахтных полей.
6.2.2 Характер выраженности границ блоков в горном массиве.
6.2.3 Оценка напряженного состояния массива и его влияние на геодинамическую опасность.
6.3 Ерунаковский район Кузбасса.
6.3.1 Блочное строение района и интерпретация границ блоков.
6.3.2 Влияние геодинамического состояния массива на условия шахтного строительства.
6.4 Геодинамические исследования на шахте «Распадская» В Кузбассе.
6.5 Анализ аварийности на трубопроводном транспорте и железных дорогах.
ГЛАВА 7 ОЦЕНКА ГЕО ДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УЧАСТКОВ
СТЕПЕНИ ГЕО ДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ.
7.1 Угольное месторождение Бейпяо (КНР).
7.1.1 Установление блочной структуры и анализ взаимодействия блоков.
7.1.2 Изучение сместителей нарушений.
7.1.3 Результаты тектонофизического анализа нарушенности и разломов.
7.1.4 Оценка опасности границ блоков и дизъюнктивов.
7.1.5 Выделение тектонически напряженных и разгруженных зон на месторождении Бейпяо.
7.2 Геодинамическое районирование угольного месторождения Монтего
КНР).
7.3 Геодинамическое районирование нефтяного месторождения Шан—Зи в провинции Шаньдунь.
7.4 Геодинамическое районирование района бедствия Спитакского землетрясения.
7.5 Анализ аварий на линейных сооружениях на участках 4-й степени геодинамической опасности.
7.6 Другие формы проявления геодинамической опасности.
ЧАСТЬ Ш ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРИМЕНЕНИЯ
РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ.
ГЛАВА 8 ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГОРНО-ТЕКТОНИЧЕСКИХ УДАРОВ С ПОДВИЖКАМИ КРЫЛЬЕВ КРУПНЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ И ЗАКОНОМЕРНОСТЬ НАРАСТАНИЯ ИХ ОПАСНОСТИ.
8.1 Предпосылки создания тектонофизической модели горно-тектонического удара с подвижкой крыла тектонического нарушения.
8.2 Обоснование тектонофизической модели горно-тектонического удара с подвижкой крыла тектонического нарушения.
8.2.1 Взаимодействие тектонического нарушения с полями напряжений разных рангов.
8.2.2 Соотношение размеров области подготовки динамического явления с размерами его очага.
8.2.3 Тектонофизическая модель горно-тектонических ударов с подвижками крыльев тектонических нарушений.
8.3 Проявление подвижек при горно-тектонических ударах на месторождениях в соответствии с рассматриваемой моделью.
8.3.1 Характер горно-тектонических ударов на участке 4-й степени геодинамической опасности на примере месторождения Бейпяо.
8.3.2 Характер горно-тектонических ударов со смещением крыльев нарушений на участках 3-й степени геодинамической опасности (на примере Североуральского и Южноуральского бокситовых месторождений).
8.3.3 Характер техногенных землетрясений на участке 2-й степени геодинамической опасности (на примере затопляемой шахты на севере
Кузбасса).
8.4 Анализ условий, способствующие возникновению опасности горнотектонических ударов при разработке месторождений на участках 2-й - 4-й степени геодинамической опасности.
ГЛАВА 9 УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОТРАЖЕНИЯ ГРАНИЦ БЛОКОВ В ГОРНОМ МАССИВЕ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ.
9.1 Тектоническая выраженность границ блоков на участках 4-й степени геодинамической опасности.
9.2 Тектоническая выраженность границ блоков на участках 3-й степени геодинамической опасности.
9.3 Тектоническая выраженность границ блоков на участках 2-й степени геодинамической опасности.
ГЛАВА 10 УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАРАСТАНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ.
10.1 Распределение удароопасных рудных месторождений по участкам различной степени геодинамической опасности.
10.2 Минимальная глубина проявления горных ударов на месторождениях.
10.3 Распределение объектов с зарегистрированными случаями техногенной сейсмичности для участков различной степени геодинамической опасности.
10.3.1 Техногенные землетрясения (горно-тектонические удары) на угольных и рудных месторождениях.
10.3.2 Техногенные землетрясения, произошедшие под влиянием эксплуатации нефтегазовых месторождений.
10.3.4 Техногенные землетрясения при затоплении шахт.
10.3.5 Горнопромышленные районы с техногенной сейсмичностью.
10.4 Анализ приуроченности аварийности на линейных объектах к участкам различной степени геодинамической опасности.
10.5 Изменение геодинамического риска.
10.6 Закономерность нарастания геодинамической опасности.
ГЛАВА 11 ПЛАНИРОВАНИЕ МЕР ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОСВОЕНИЯ НЕДР И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ С
УЧЕТОМ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Совершенствование методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород в целях повышения экологической безопасности освоения недр и земной поверхности"
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 reo динамической 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 1-У рангов, геологическое изучение проявления границ блоков 1-У 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:
Метод оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород заключается в установлении степени геодинамической опасности для любого его участка по отношению п мощности сейсмоактивного слоя Н5 к мощности земной коры Н3.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 reo динамически 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 (23 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 1-У рангов, выявленных и изученных автором на участках 1-4-й степени геодинамической опасности;
- характером смещения крыльев четырех крупных дизъюнктивов при горнотектонических 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 reo динамического 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, Кузбас-синвестуголь, 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 reo динамической 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 тектоно-физики, 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 reo динамических 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 СевероЗападного 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 Гипротрубо-провод (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 МГТУ.
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.
Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Батугин, Андриан Сергеевич
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации, являющейся квалификационной научной работой, приводится решение научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение «— совершенствование методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород для изучения изменений жизнеобеспечивающих ресурсов недр и земной поверхности под влиянием антропогенных факторов.
Решение этой проблемы базируется на многолетних теоретических и экспериментальных исследованиях, проведенных автором на угольных месторождениях Кузнецкого, Донецкого угольных бассейнов, месторождениях Бейпяо и Монтего в Китае, на рудных месторождениях Урала, Норильска, нефтяных месторождениях Удмуртии и Шан-зи в Китае, на трассах трубопровода Сургут-Куйбышев, трассе железной дороги Санкт-Петербург-Москва-Кемерово, на территории Московской области и др. объектах.
-
Батугин, Андриан Сергеевич
-
доктора технических наук
-
Москва, 2008
-
ВАК 25.00.36
- Геодинамическое районирование горного массива с использованием радонометрии
- Научные основы геологического обеспечения безопасной отработки пластовых месторождений в геодинамически опасных зонах
- Разработка научно-методических основ геомеханического обеспечения подземной отработки железорудных месторождений Сибири в геодинамически активном регионе
- Прогноз влияния геодинамической активности блоковых структур на напряженно-деформированное состояние массивов и метановыделение из угольных пластов
- Исследование геодинамической активности геологической среды г. Екатеринбурга
