Главная О проекте Архив новостей Статьи Об авторах Конференции Форум Ссылки

ОПАСНОЕ РАЗВИТИЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ В Г. НИЖНИЙ ТАГИЛ, ПРИЧИНЫ, ПОСЛЕДСТВИЯ И ВОЗМОЖНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЕЕ СМЯГЧЕНИЮ

А.В. Зубков, А.Д. Сашурин

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург

Нижне-Тагильская градопромышленная агломерация является уникальной в том, что в городе с 500-тысячным населением наблюдается обострение геодинамической обстановки, обусловленной сильной тектонической нарушенностью района, отнесенного к зоне земной коры с 6-7 бальными землетрясениями, и техногенным воздействием от значительного объема горных работ на Высокогорском, Лебяжинском, Гальяновском и других месторождениях. В настоящее время энергия геодинамических событий достигает 10¹⁰ Дж и ожидается 10¹² - 10¹³ Дж.

Наиболее энергетически мощными геодинамическими событиями в зоне техногенного воздействия считаются горно-тектонические удары и техногенные землетрясения.

В результате техногенных процессов в массиве горных пород могут измениться три параметра, способствующие уменьшению времени подготовки события:

• уменьшается сцепление и коэффициент трения по нарушению из-за изменения водного режима (заполнения водохранилищ);
• уменьшаются силы, нормальные к плоскости нарушения, способствующие протеканию дилатансионных процессов;
• увеличиваются срезающие усилия.

Техногенные землетрясения являются следствием того, что указанные три параметра изменения состояния массива горных пород накладываются на подготавливаемый естественным путем очаг землетрясения.

Большую роль в строении Тагильского района принадлежит разрывным нарушениям (рис. 1) [1].

Все крупные разломы района являются долгоживущими, глубокого заложения. На ранних стадиях они определяют размещение фракций осадочных и вулканических образований, при становлении интрузий положение и ориентировку контактов, а в целом форму массивов, на поздних стадиях - размещение зон метасоматитов и рудных тел, а затем разделение их на отдельные блоки. Новейшие движения по разрывам проявляются в уступах нижней границы площадных кор выветривания (до нескольких сот метров), в появлении неравновесных участков речных долин и формирований высоких эрозийных террас.

Основным из субмеридианальных нарушений является региональный Туринский разлом, представляющий собой крупный разрыв, проявляющийся в системе сближенных параллельных надвигов и взбросов больших амплитуд (около 1 км). Восточные блоки везде надвинуты на западные. Разлом отделяет Тагильский железорудный район (Тагильский сиенит-диоритовый массив), располагающийся в Лозвинско-Ревдинской моноклинали, от расположенного восточнее меднорудного, приуроченного к Туринско-Верхнетагильской синклинали. Этот разлом представляет собой зону повышенной трещиноватости и рассланцевания мощностью от 5-10 м до 200 м и падает на восток под углом 70-80°. Он выделен непосредственно в зоне горных работ Лебяжинских месторождений известняков и магнетита, а также картировочными скважинами.

Другим крупным хорошо изученным является разлом Главный, имеющий северо-восточное простирание, прослеживающийся от южного фланга Лебяжинского месторождения через северную часть Высокогорского месторождения. Между Лебяжинским и Высокогорским месторождениями разлом пересекает у плотины Выйский пруд, а непосредственно к югу от лебяжинского - р. Тагил. Южнее на протяжении одного километра к нему тяготеет левый борт долины р. Выя. Падение плоскости сместителя юго-восточное под углом 70-80°.

В районе Высокогорского месторождения Главный разлом на глубоких горизонтах (на глубине 670 м) пересекает все стволы и выработки руддвора шх. Магнетитовой и представляет собой зону рассланцованных пород вдоль смесителя, заполненную глинисто-щебенистым материалом мощностью до 3.0 м. На верхних горизонтах мощность смесителя не превышает 1.0 м. Выполнен он здесь хлоритизированными породами с глинкой трения.

Третьим крупнейшим нарушением является Тимано-Кокчетавская тектоническая зона с оперяющими ее нарушениями, которая предположительно проходит вдоль реки Тагил около деревни Евстюниха и северо-восточной оконечности Нижне-Тагильского пруда. Эта зона горными работами не вскрыта.

В Тагильском железорудном районе горные работы ведутся уже 270 лет. За это время на западной окраине г. Нижний Тагил вынут карьерами и шахтами 221 млн.м³ и перемещено в отвалы и хвостохранилища 93 млн.м³ горной массы. В дополнение к этому предстоит вынуть на Высокогорском месторождении (шх. Магнетитовая) до 50 млн.тонн (12 млн.м³) и на Естюнинском месторождении (шх. Естюнинская) до 274 млн.т (72 млн.м³) магнетита, а на Гальяновском месторождении 50 млн.м³ известняков.

Особенно крупные по масштабам горные работы ожидаются на шахте Естюнинская, где массив горных пород будет нарушен очистными работами до глубины 1000 м и в длину 4000 м с возможным вскрытием крыла Тимано-Кокчетавской тектонической зоны.

Естюнинское месторождение является уникальным с точки зрения геомеханических характеристик массива горных пород. Так прочность на сжатие в образце составляет:

• магнетита - 250-300 МПа;
• роговиков - 200-250 МПа;
• пироксен плагиоклазовой породы - 300-400 МПа;
• по последним данным прочность породы и руды на обнажениях горных выработок достигает 400-450 Мпа. При размерах структурных блоков 1.5-3 м модуль упругости массива на базах 15-20 м составляет 90% от его значения в образце - Е_м = (0.5-0.75)^.10⁵ МПа.

Уже на глубине 400 м первоначальные напряжения в массиве составляют:

• горизонтальные по простиранию (азимут 120°) - 140 МПа;
• горизонтальные вкрест простирания (азимут 30°) - 80 МПа;
• вертикальные - 50 МПа.

Выемка рудных тел мощностью 10-50 м с углом падения 40-60° производится этажно-камерной системой с податливыми не несущими потолочинными и междублоковыми целиками [2]. Площади камер по висячему боку составляют 4-190 тыс.м². Если целики удалось сделать не удароопасными, при четком выполнении проектных заданий, то выработки бурового горизонта и днища подвержены чрезвычайно высоким сжимающим напряжениям, которые на их контуре при отработке гор. -120 м достигают 350-450 МПа, а гор.-500 м - до 660 МПа. Следствием такого высокого напряженного состояния массива и конструктивных элементов являются горные удары (ГУ), горно-тектонические удары и техногенные землетрясения (ТЗ). В таблице ниже приведены характеристики наиболее крупных геодинамических явлений, оцененные экспертно по аналогии с массовыми взрывами, т.к. регистрирующей аппаратуры на шахте нет.

Параметры взрывов и геодинамических явлений

Геодинамическое явление № 5, № 6, № 7, № 12, № 13 и № 17 можно классифицировать как техногенное землетрясение, т.к. в горных выработках на шахте разрушений не отмечено, а 20.02.95 кроме шахты сильные толчки ощущали в деревне Естюнинская, где отмечались нарушения печей. Это соответствует эквиваленту 6-и бального землетрясения. Аналогичные толчки 28.01.97 и 11.07.99 были зафиксированы на шахте и особенно ощутимы были в поселке Песчаный карьер и на мясокомбинате. Все вышеуказанные участки находятся над Тимано-Кокчетавской тектонической зоной.

Наибольшие тектонические напряжения в районе г. Екатеринбурга, Н. Тагила, Кушвы и Краснотурьинска действуют по азимуту 123-155°, а Тимано-Кокчетавская тектоническая зона имеет азимут 145°. Это создает благоприятные условия образования скалывающих напряжений по этой зоне.

В результате проводимых в ИГД УрО РАН исследований установлено, что за последние 30-50 лет скорости деформации земной коры на Урале составляют (1.2 - 1.6) 10^-6 год^-1. Такие скорости характерны и для сейсмически активных областей. Подготавливаемые в результате этих деформаций естественные землетрясения излучают энергию от 10⁹ до 10¹⁵ Дж и самое мощное землетрясение готовится за период около 300 лет [3].

На Урале за последние 250 лет произошел ряд землетрясений силой 7 баллов и в том числе в районе г. Нижний Тагил шести бальные землетрясения в 1832 и 1841 годах [4].

Судя по техногенным землетрясениям в районе шахты Естюнинская, которые можно посчитать форшоками, крупный горно-тектонический удар на шахте может спровоцировать землетрясение по Тимано-Кокчетавской тектонической зоне с энергетикой 10¹¹ - 10¹² Дж.

Знакопеременные сейсмические колебания в свою очередь могут облегчить срез по разлому Главный, т.к. одно его крыло ослаблено выработанным пространством Высокогорского месторождения на глубину 700 м, а другое крыло - выработанным пространством Лебяжинского месторождения на глубину 600 м, а расстояние между ними составляет 3.7 км.

Одновременно с геодинамическими явлениями в районе разработки Естюнинского месторождения, определенная активизация геодинамических процессов имеет место и на Высокогорском месторождении, разрабатываемом шахтой Магнетитовой. Последняя подвижка, происшедшая на шахте по взбросо-сдвигу Среднему и обнаруженная в выработках Восточно-Ревдинского участка шахты Магнетитовой на горизонтах -130 м, -210 м и -370 м относятся к разряду горно-тектонических ударов небольшой магнитуды. Оно сопровождалось 04.02.2000 г. толчком, ощущаемым человеком, и подвижками по нарушению, достигшими 150-200 мм на гор. -130 м. Истинные максимальные значения подвижек не известны из-за ограниченности доступа к плоскости нарушения.

Ранее в 1973 году, аналогичное явление фиксировалось на этом же взбросо-сдвиге в районе 21 геологического блока на гор. -50 м. В тот период подвижки фиксировались на меньшем участке и достигали до 100 мм.

Основная причина происшедших подвижек связана с естественной активностью тектонических нарушений, определяющих строение Высокогорского месторождения. Современные подвижки по взбросо-сдвигу Среднему соответствуют унаследованным от прежних геологических периодов по направленности вектора смещения. Аномальное проявление подвижки на участке разработки месторождения провоцируют техногенные факторы по добыче и переработке полезных ископаемых. Среди них основную роль играют:

• степень подработанности плоскости взбросо-сдвига подземными горными работами, вызывающая разгрузку обнажаемых участков и концентрацию сдвигающих усилий на остающихся перемычках;
• заполнение выработанного пространства Главного карьера мокрыми хвостами обогащения, нарушающие гидрогеологический режим массива горных пород, снижающее прочностные характеристики пород, выполняющих тектонические нарушения, и создающие мощную дополнительную техногенную нагрузку, вызывающую дополнительные техногенные деформации в массиве горных пород.

Потеря устойчивости по плоскостям крупных нарушений происходит на локальных участках в виде пятен, размеры которых зависят от многих факторов, в том числе от параметров тензора напряжений в прилегающей области, параметров неровности нарушения и интенсивности естественных движений по нему, которые вследствие этого происходят рывками. После подвижки и разгрузки одного локального участка, нагрузки концентрируются на соседних участках, вызывая через некоторое время нарушение устойчивости на этих участках. Размеры новой области потери устойчивости и амплитуды подвижки могут с каждым разом увеличиваться по мере расширения областей нарушенного равновесия и выйти за пределы горных работ.

Смещение по одному из нарушений сопровождается, как правило, активизацией смежных тектонических нарушений. В рассматриваемом случае она проявилась в подвижках по сбросо-сдвигу Главному, пересекающему все центральные стволы и руддворы шахты в интервале отметок от -290 м до -450 м и в раскрытии нарушений, оперяющих взбросо-сдвиг Средний. Развитие смещений по всем этим нарушениям представляет опасность в шахтном поле для самих горных работ и стволового комплекса шахты, а за его пределами на прилегающих территориях для жилых, общественных и промышленных объектов. Опасность подвижек будет зависеть от формы их проявления. Более опасна динамическая форма в виде техногенного землетрясения. В случае интенсивных перемещений по нарушениям, опасности подвергаются лишь объекты, расположенные непосредственно над этими нарушениями.

Зафиксированные случаи подвижек по тектоническим нарушениям на Высокогорском месторождении, постоянные толчки в районе Естюнинского месторождения (поселки Песчаного карьера и мясокомбината) служат серьезными предвестниками грозящей беды, но к сожалению пока не получают должного восприятия. По рассматриваемому району необходимо выполнить следующий комплекс исследований параметров происходящих смещений и деформаций:

• организовать инструментальные наблюдения с применением комплекса спутниковой геодезии GPS за состоянием подвижности основных тектонических нарушений, определяющих структуру района;
• определить ретроспективными и мониторинговыми наблюдениями интенсивность движений по основным тектоническим нарушениям с разделением на естественные и техногенные составляющие;
• оценить уровень смещений и деформаций, вызываемых заполнением хвостами обогащения Главного карьера, а также восстановлением уровня грунтовых вод и затоплением выработанного пространства и зоны обрушения после ликвидации шахты Эксплуатационной;
• оконтурить границы распространения современных подвижек и определить энергию разгрузки в зоне подвижки;
• по энергии разгрузки и скоростям движений по тектоническим нарушениям спрогнозировать время и энергию возможных следующих подвижек.

По результатам исследований и полученным параметрам смещений и деформаций представляется возможным принять меры по предотвращению риска проявления техногенной катастрофы и снижению тяжести ее последствий:

• меры по обеспечению плавной разгрузки, предотвращающей накопление потенциальной энергии;
• выявление потенциально уязвимых объектов и проведение конструктивных мер повышения их устойчивости.

Таким образом, изучение процессов движения и закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния массива пород при разработке месторождений Высокогорского ГОКа позволяют сделать следующие выводы:

1. Горные работы на месторождениях Высокогорского ГОКа в комплексе с заполнением хвостами обогащения Главного карьера создали опасную ситуацию, способную разрешиться серьезной техногенной катастрофой, угрожающей не только объектам рудника, но и окружающей инфраструктуре города Нижнего Тагила.
2. Оценка степени опасности, разработка и реализация мероприятий по снижению риска проявления техногенной катастрофы и тяжести ее последствий требует организации и проведения специальных исследований с применением современных технологий спутниковой геодезии GPS параметров тектонических движений и деформаций в области техногенного воздействия добычи и переработки полезных ископаемых.
3. Действенность принимаемых мероприятий и состояние используемой территории при дальнейшей разработке месторождений должны контролироваться специальными наблюдениями за происходящими смещениями.

Подрисуночные надписи:

Рис. 1. План г. Нижний Тагил: 1 - Высокогорское месторождение; 2 - Лебяжинское; 3 - Естюнинское; 4 - Гальяновское; 5 - Турьинский разлом; 6 - Главный разлом; 7 - Тимано-Кокчетавская тектоническая зона

Использованные источники:

1. Зубков А.В. Решение проблемы прогноза и предотвращения техногенных катастроф //Проблемы геотехнологии и недроведения. Доклады международной конференции 6-10 июля 1998 г. -Екатеринбург: УрО РАН, 1998. - С.16-29.

2. Зубков А.В., Зубков Ю.М. Опыт отработки Естюнинского месторождения с применением податливых целиков //Горный журнал. -1995. -№8. -С.30-32.

3. Родионов В.Н. Очерки геомеханики. -М.: Научный мир. -1996. -64с.

4. Дружинин В.С., Юнусов Ф.Ф., Парыгин Г.И. Специфика сейсмичности Уральского региона //Глубинное строение и развитие Урала: материалы научно-производственной конференции, посвященной 50-летию Баженовской геологической экспедиции. -Екатеринбург: Наука. -С.102-111.

© 2000 Альберт В. Зубков, Анатолий Д. Сашурин