Главная О проекте Архив новостей Статьи Об авторах Конференции Форум Ссылки

ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

А.А. Кашкаров, С.В. Усанов

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург

Работа выполнена при поддержке РФФИ

Аннотация: Описываемые исследования посвящены разработке эффективной методики изучения и моделирования явлений и процессов, связанных с геомеханическим состоянием и изменением участков земной коры, нарушенных техногенным воздействием при ведении подземных горных работ. В основе методики лежит структурно-вещественная природа взаимозависимости геомеханических и геоэлектрических полей, явлений и параметров горных пород и массивов, обосновывающая определенную важность использования контактных и дистанционных геоэлектрических методов и моделей для характеристики геомеханического состояния и этапа процессов сдвижения горных пород подработанных территорий, которые в свою очередь являются основанием для определения способа их вовлечения в хозяйственную деятельность человека.

Подработанные территории обычно тяготеют к относительно густонаселенным урбанизированным, промышленно освоенным районам. Близость населенных пунктов и промышленных объектов ведет к росту дефицитности земельных участков и, соответственно, к необходимости вовлечения подработанных территорий в хозяйственную деятельность человека. Этим вызвано пристальное внимание к обоснованной оценке степени опасности их эксплуатации в том или ином качестве с одной стороны, и определения перспектив и способов их вовлечения в хозяйственный оборот с другой стороны.

Существующие способы изучения и оценки степени опасности подработанных территорий в большей своей части ориентированы на исходное состояние горных массивов, сложившееся на момент окончания горных работ. Степень опасности подработанной территории согласно методических рекомендаций [1] оценивается путем расчета, входными параметрами которого являются соотношение размеров, формы и глубины залегания отдельных пустотных пространств в горных массивах или их совокупности. На этом основаны обобщения и научно-технические разработки различных классификаций по оценке степени опасности подработанных территорий [2, 3]. Более достоверным и надежным является методический подход, основанный на изучении деформаций земной поверхности в пределах влияния подземных горных выработок по результатам геодезического мониторинга геологической среды на совокупности реперов наблюдательной станций [4]. На основании периодических маркшейдерских наблюдений за изменением координат реперов наблюдательных станций формируют геомеханическую модель состояния подработанной территории и дают оценку возможности вовлечения ее в хозяйственную деятельность.

Геофизические дистанционные методы исторически использовались при изучении подработанных территорий обычно с целью оконтуривания пустотных пространств и других неоднородностей подработанного горного массива [5].

Для этих целей целесообразно использование широкого комплекса геофизических методов, в число которых входят гравиразведка, магниторазведка, сейсморазведка, электроразведка, методы акустической и электрической эмиссии. Физические предпосылки применения этих методов, учитывая высокую контрастность плотностных, магнитных, сейсмоакустических и электрических параметров пустотного пространства и вмещающих пород, достаточно высоки. Однако эта задача является тривиальной и имеет актуальность в основном при изучении старых заброшенных горных выработок, маркшейдерская информация о которых утрачена. Более высокие перспективы связаны с совместным геофизическим и геодезическим мониторингом развития процессов сдвижения на подработанных территориях в пределах одной сети реперов наблюдательной станции. Такие наблюдения целесообразно выполнять на подработанных территориях действующих горных предприятий с целью охраны инженерных сооружений промплощадок предприятий. В этом случае развитие процессов сдвижения можно изучать не только по развитию деформаций поверхности, но и по изменению физических свойств и состояния глубинных слоев подработанных горных массивов.

В настоящей работе подвергнуты анализу и рассмотрению подработанные территории, на которых комплексный маркшейдерско-геофизический мониторинг организовать невозможно, прежде всего, из-за отсутствия временных и технических резервов. Это прежде всего относится к старым горным выработкам маркшейдерские материалы, о которых либо утрачены, либо имеют сомнительное качество, а организация наблюдательных станций нецелесообразна из-за длительности периодичных наблюдений, и поэтому не согласуется с задачами немедленного вовлечения подработанных земель в сферу хозяйственного оборота (строительство, сельхозугодья, складирование и т.д.). В этом случае оценку состояния подработанных территорий, с точки зрения конкретных условий вовлечения их в сферу хозяйственного оборота с одной стороны и с точки зрения выработки рекомендаций по характеру, условиям и возможности хозяйственного оборота конкретных подработанных участков, с другой стороны целесообразно выполнять на основе конкретных, заранее разработанных и изученных структурно-вещественных геоэлектрических моделей подработанных территорий.

Разработка основ структурно-вещественного, геоэлектрического и геомеханического моделирования выполнялась в течение длительного промежутка времени комплексной маркшейдерско-геофизической группой исследователей с использованием натурных и лабораторных экспериментов, массового изучения физических (физико-механических геоэлектрических) параметров горных пород, опытно-производственных и производственных работ в пределах старых горнорудных объектов Среднего и Северного Урала (г. Березовский, г. Краснотурьинск, г. Верхняя Пышма, г. Бакал, г. Каменск-Уральский и другие). Фундаментальной основой структурно-вещественного, геоэлектрического и геомеханического моделирования является реализация фундаментальной научной программы, поддержанной грантами РФФИ, основой которой является структурно-вещественное обоснование взаимосвязи геоэлектрических и геомеханических полей, явлений и горных пород и массивов.

Центральным элементом структурно-вещественного характера горных массивов, определяющих геоэлектрические и геомеханические поля, явления и параметры является пустотность и трещиноватость горного массива. В геомеханическом отношении она является элементом разупрочнения горного массива, а в геоэлектрическом отношении - элементом электропроводимости (обратная величина удельного сопротивления среды пропускаемого электрического тока). Учитывая жесткость формы пустот и трещин, следует ожидать, что форма зависимости электрических и геомеханических параметров, полей и явлений в горных массивах будет одинаковой, вещественная часть пустотности и трещиноватости скоре всего будет определяться контрастностью геоэлектрических и геомеханических полей явления и параметров. Поэтому при рассмотрении обобщенных геоэлектрических моделей конкретных типов подработанных территорий вещественные параметры задавались условно.

Пусть пустоты и трещины находятся выше уровня грунтовых вод и заполнены воздухом, являющимся в геоэлектрическом отношении хорошим изолятором (непроводником электрического тока), тогда процесс техногенного формирования и развития подработанных территорий можно представить серией из семи видов комплексных структурно-вещественных, геоэлектрических и геомеханических моделей.

Модель "а" характеризует обобщённую модель исходной рудной залежи предположительно металлического полезного ископаемого (медь, железо и др.). Для простоты залежь принята в форме шара заполненного рудами с низкими значениями удельного электрического сопротивления относительно высокоомных вмещающих горных пород. Вокруг залежи наблюдается ореол прожилково-вкрапленного оруденения, являющегося переходной формой от рудного вещества к неизменной вмещающей горной породе. В геометрическом отношении (геоэлектрическая модель по профилям -а--а; -в--в; -г--г) - характер применения удельного электрического сопротивления одинаков: низкие сопротивления соответствуют рудному телу, переходные к зоне вкрапленности, высокие - вмещающим породам.

Модель "б" характеризует конечную стадию техногенного геомеханического движения по выемке руды из геосистемы с образованием пустотного пространства, форма которого соответствует исходному рудному телу. За счёт техногенного геомеханического процесса (взрывание) происходит образование техногенной трещиноватости оконтуривающей образовавшуюся пустоту. В геоэлектрическом отношении (геоэлектрическая модель) конечная стадия техногенного геомеханического процесса движения вылилась в формирование высоких сопротивлений на месте полости заполненной воздухом, резким уменьшением удельного сопротивления к остаткам руды на стенках выработки с постепенным незакономерным увеличением удельного сопротивления к вмещающим породам за счёт совокупного влияния рудной вкрапленности и вторичной трещиноватости образовавшейся за счёт проходки выработки. График ρ_к одинаков для всех профилей (-а--а; -б--б; -в--в; -г--г). Процесс техногенного геомеханического движения в геоэлектрическом моделировании занимает промежуточные формы графического изображения изменений удельного сопротивления от модели "а" к модели "б".

Модель "в" является неустойчивой в геомеханическом отношении, и начинается следующий этап геомеханического естественного движения, связанный с образованием системы ориентированной в субвертикальном направлении третичной трещиноватости. В геоэлектрическом отношении не изменившимися будут графики изменения ρ_к вдоль профилей (-а--а; б--0; в--0; г--0). По профилям (0--а и 0--б) начальная стадия в приграничной с полостью части горного массива по удельному сопротивлению заметно уменьшится за счёт перераспределения капиллярной воды в третичную трещиноватость. Более крупные трещины заполняются воздухом образуя сильно изрезанную по ρ_к переходную зону (0--б; 0--г). График ρ_к описанный выше занимает всю часть массива по профилю (0--в).

Модель "г". Зона развития ориентированной трещиноватости из модели "в" перешла в форму развития процесса дезинтеграции налегающего на пустоту горного массива. Трещины сомкнулись, образуя относительно изолированные неровные блоки горных пород. В геоэлектрическом отношении эта стадия геомеханического движения выразилась в виде высокой степени неоднородности удельного электрического сопротивления в горном массиве налегающей толщи (профиля 0--б; 0--г; 0--в) за счёт проникновения воздуха в большую часть трещины и потере электрической связи между отдельными дезинтегрированными блоками. Развитие организованной субвертикальной трещиноватости захватило новые области налегающей толщи горных пород.

Модель "д". Зона дезинтеграции, описанная в модели "г", провалилась в пустотное пространство (обрушилась). Воронка обрушения вышла к поверхности. Зоны дезинтеграции и образования субвертикальной трещиноватости захватили новые области налегающей толщи горного массива. Обрушившаяся часть за счёт прослоев воздуха между обломками горных пород приобрела высокоомность и низкую интенсивность изменения ρ_к в высокоомной области, отметки по всем профилям. Зоны дезинтеграции и ориентированной трещиноватости выявляются соответствующим изменением удельного сопротивления, описанным в предыдущих моделях.

Модель "е". Наблюдается расширение обрушавшейся части до предельного контура обрушения с соответствующим приростом за счёт приграничных областей налегающего массива зоны дезинтеграции и зоны вертикальной трещиноватости. Процесс сопровождается соответственным изменением геоэлектрических моделей по сценарию описанному в предыдущих моделях. Графики ρ_к приведены здесь.

Модель "ж". Завершающая стадия знаменующая окончание геомеханического движения до установления равновесного состояния между обрушенной частью налегающего горного массива, его дезинтегрированной частью и частью, где ориентированная субвертикальная трещиноватость переходит в дезориентированную систему равновесия трещин. Соответствующим образом меняется и вся совокупность геоэлектрических параметров.

Суть методики заключается в комплексном анализе сложившейся геомеханической и геоэлектрической ситуации изучаемого подработанного горного массива с целью отнесения его к одной из описанных выше комплексных структурно-вещественных моделей, анализ которых позволяет отнести территорию к тому или иному классу опасности и перспективности для хозяйственного оборота.

С точки зрения долговременного вовлечения подработанных территорий с целью их застройки дорогостоящими инженерными сооружениями длительного (неограниченного) пользования земельные участки, отмеченные по результатам предложенных комплексных оценок к моделям "б", "в", "г" и "д" следует считать непригодными (опасными), находящимися в активном (нереализованном) состоянии геомеханического движения, которое в определённое прогнозируемое время может привести к катастрофическим последствиям.

Следует оговорить, что в условиях особо высокой несущей способности скальных грунтов налегающей толщи в специально оговорённых случаях строительные работы можно проводить и в условиях моделей "б" и "в", и "д", но при этом необходимо выполнять соответствующий комплекс специальных исследований маркшейдерского и геофизического характера с последующей организацией комплексного мониторинга за развитием геомеханического движения на используемой территории. В пределах территорий, отнесённых к модели "г" всякая хозяйственная деятельность должна быть запрещена, территория должна быть огорожена от проникновения посторонних людей. Допуск на нее должен быть организован в основном с целью изучения её геомеханического состояния подготовленными специалистами.

Территории, отнесённые к моделям "е" и "ж" целесообразно использовать для различных форм хозяйственного оборота, однако следует для обоснования проектирования выполнить необходимый комплекс специальных маркшейдерско-геофизических исследований и инженерно-геологических изысканий с целью получения рекомендаций при выполнении проектных и строительных работ, учитывающих особые свойства грунтов этих территорий.

Подрисуночные надписи:

Условные обозначения ко всем рисункам

Рис. 1. Модель "а" - рисунок характеризует разрез земной коры с неоднородностью в виде тиры, являющейся полезным ископаемым (исходное состояние)

Рис. 2. Модель "б" - рисунок характеризует образовавшиеся за счет разработки полезного ископаемого пустотное пространство (этап 1)

Рис. 3. Модель "в" - рисунок характеризует образование за счет действия в породном массиве нагрузок неравновесного состояния, вызванного выработанным пространством системы ограниченной трещиноватости третичного характера

Рис. 4. Модель "г" - рисунок характеризует развитие третичной трещиноватости, которая привела к дезинтеграции (расклиниванию) части горного массива, а образование третичной трещиноватости охватило новые надпустотные области

Рис. 5. Модель "д" - рисунок характеризует процесс самообрушения (коренной перестройки) горного массива, связанный с перераспределением нагрузок от центра к периферии, и снижение их абсолютных величин. Процессы дезинтеграции и образования третичной трещиноватости захватили новые периферийные области

Рис. 6. Модель "е" - рисунок характеризует процесс установления равновесного режима в горном массиве, когда образование рыхлых участков завершилось, образование третичной трещиноватости близко к завершению, замедляются процессы расклинивания участков горного массива, которые поддерживают преимущественно уплотнением рыхлых участков горного массива

Рис. 7. Модель "ж" - рисунок характеризует равновесное (конечное) состояние горного массива. Процессы самообрушения, расклинивания и образования третичной трещиноватости завершены. Последняя преобразуется в систему более устойчивых неорганизованных трещин

Использованные источники:

1. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и Казахстана. ИГД ММ СССР. 1990.

2. Еловских В.М., Крушатин Р.Ф., Семенов Г.П., Пыхтеева Н.Ф. Районирование подработанных площадей Дегтярского рудника. Горный журнал. Известия высших учебных заведений. -1994. N9-10. C.118-121.

3. Кошелев В.Н. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук "Определение условий образования провалов и разработка способов их предотвращения при ликвидации шахт в Подмосковном бассейне".

4. Сашурин А.Д. Сдвижение горных пород на рудниках черной металлургии. Екатеринбург. 1999.

© 2001 Александр А. Кашкаров, Сергей В. Усанов