ОРГАНИЗАЦИЯ И ПРОВЕДЕНИЕ МОНИТОРИНГА НДС МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД В ОБЛАСТИ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ГОРНЫХ РАЗРАБОТОК

Панжин А.А., Дубовик В.В., Ручкин В.И.

УДК 622.83:[528.2:629.78]

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург

Работа выполнена при поддержке РФФИ

Аннотация: В данной публикации приведены результаты мониторинга напряженно-деформированного состояния верхней части земной коры, проведенного с использованием комплексов спутниковой геодезии в области мощного техногенного воздействия - Киембаевского асбестового карьера. Исследования включали в себя теоретическое исследование геомеханической модели участка месторождения и сопоставление результатов с данными, полученными в результате натурных измерений. Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ.

Как известно, масштабная разработка месторождений полезных ископаемых сопряжена с мощным техногенным воздействием на верхнюю часть земной коры. Длительные сроки эксплуатации месторождений, большие объемы перемещаемых горных пород, концентрация добычи на ограниченных территориях, все это способствует нарушению первоначального напряженно-деформированного состояния земной коры на обширных территориях. В результате такого воздействия наряду с естественными геомеханическими процессами, такими как тектонические подвижки по структурным блокам, возникают так называемые наведенные геомеханические процессы, вызванные техногенной деятельностью человека. Такие процессы по силе их проявления сопоставимы с естественными, а их опасность усугубляется тем, что они происходят в областях концентрации экономической деятельности человека. Актуальность исследования наведенных геомеханических процессов вызвана тем, что только в районе горнопромышленного Урала существует не менее семи районов, потенциально опасных по их проявлению вследствие достигнутых масштабов производства [1].

В качестве факторов техногенного воздействия человека на земную кору выступают перемещения масс горных пород - выемка из карьеров и подземных разработок и складирование вскрышных пород и отходов обогащения в отвалы. Таким образом, источником формирования наведенных геомеханических процессов является нарушение первоначального равновесия в напряженном состоянии верхней части земной коры в результате добычи полезного ископаемого [2]. Вторичное поле напряжений формируется за счет образования выемок и пустот в горном массиве и за счет нарушения изостазического равновесия вследствие перемещения больших объемов горных пород, особенно при открытых разработках.

При внешней сложности явлений, происходящих в районе добычи полезных ископаемых, геомеханическая модель деформирования может быть представлена довольно простыми построениями. Основным элементом модели является внешнее отображение участка земной коры. В зависимости от существующих представлений о строении верхней части земной коры геомеханическая модель ее участка, подверженного техногенному воздействию может быть представлена либо нижним полупространством бесконечных размеров по площади и глубине, либо, в соответствии с положениями теории глобальной тектоники плит, в виде оболочки конечной толщины и бесконечных размеров в плане, находящейся на вязком слое астеносферы.

Граничные условия геомеханической модели включают боковые горизонтальные силы и объемный вес. Во втором случае на разделе между литосферой и астеносферой действуют гидростатические силы, уравновешивающие вес литосферной плиты. Боковые горизонтальные силы состоят из горизонтальных тектонических сил, одинаковых по глубине и бокового распора от гравитационных сил, пропорциональных глубине. Техногенные силы соответствуют весу пород, перемещаемых при разработке. На участке добычи, в карьере или зоне подземной добычи, происходит разгрузка массива, а на участке отвалообразования массив нагружается, вызывая возникновение момента сил в массиве, как это показано на рис. 1.

Математический аппарат для исследования поведения геомеханической модели основывается на классических решениях задачи Бусинеска для расчета модели, представленной бесконечным полупространством [3] и расчета оболочек для расчета модели, соответствующей современным представлениям глобальной тектоники плит [4]. Не исключается также и то, что на участке, подверженному техногенному воздействию будут проявляться в той или иной степени свойства обеих моделей.

Сформулированные теоретические положения, раскрывающие природу и механизм проявления масштабного техногенного воздействия горных разработок на участок литосферы, прошли экспериментальную проверку на горных предприятиях. Интересные результаты были получены на участке разработки Киембаевского асбестового месторождения (г. Ясный, Оренбургской обл.).

Киембаевское месторождение хризотил-асбеста находится в Оренбургской области в 5 км. юго-восточнее г. Ясный. В геоморфологическом отношении район Киембаевского месторождения представляет собой типичную степь, расчлененную мелкими пересыхающими ручьями и суходольными балками. Гидросеть района развита очень слабо и представлена рекой Кумак и ее притоками.

Территория, на которой расположено месторождение, принадлежит области сочленения Восточно-Уральского антиклинория и Магнитогорского мегасинклинория. Эта область протягивается с севера на юг на значительное расстояние и представляет собой измененный серпентинитовый массив. Позже было установлено, что указанная область приурочена к зоне Главного Уральского разлома (надвига). Разлому отвечает полоса тектонического меланжа изменчивой ширины от нескольких километров до 20 км. Внутри этой полосы среди развальцованной серпентинитовой матрицы располагаются разновеликие блоки и пластины различных членов офиолитовой ассоциации: гипербазитов, габбро, подушечных лав, а также других комплексов пород. Часто указанный разлом выражен породами, формирующимися при больших давлениях. Для восточного борта Магнитогорского синклинория характерно широкое развитие средне- и верхнедевонских вулканических толщ.

Формирование зоны Главного Уральского разлома было полихроматическим. Для образования комплекса пород, представленного диоритами, гранодиоритами и гранитами, были необходимы специальные условия, вызываемые подвижностью массива. Проникновению глубинных магматических расплавов на поверхность способствовал дилатансионный механизм, происходящий в подвижной части земной коры при сочленении хотя бы двух разломов различных направлений. Движения по одним разломам раскрывают полости по другим. Собственно, этот механизм взаимодействия разломных областей позволил сформироваться месторождению хризотил-асбеста.

Сложившиеся инженерно-геологические позиции месторождения обусловлены его местоположением в Уральской горно-складчатой структуре или, при взгляде с новых позиций тектоники плит, в приграничной области сочленения Европейской плиты с Казахстанской. Естественно, что взаимодействие двух плит происходило в условиях значительного перемещения Казахстанской плиты на северо-восток при сопротивлении со стороны Европейской плиты и с огромной по масштабам деформацией всего горного массива. Взаимное перемещение плит сопровождалось высоким уровнем касательных напряжений, которые возникли при повышенных значениях горизонтальной компоненты напряжений северо-восточного направления. В пострифтовый период развития Урала состоялось несколько продолжительных тектонических циклов, при которых уровень действующих напряжений превышал уровень сопротивления породного массива действующим нагрузкам. Возникает вопрос, касающийся современной оценки поля напряжений и уровня сопротивляемости массива этим напряжениям. Особенно, этот вопрос актуален для участков массива, где ведутся значительные по масштабу горные работы, например, в Киембаевском карьере, размеры которого по простиранию структур составляют 2 км и вкрест простирания достигают 1.5 км.

Исследуемый район имеет достаточно четкие параметры техногенного воздействия на литосферу. Объем карьерной выемки составил на настоящее время около 500-700 млн.тонн горной массы, примерно треть объема которой была складирована в отвалы пустых пород о отходов обогащения, которые расположены к северу от карьера, как показано на рис. 2. Остальная горная масса - обогащенная руда была отгружена потребителям и вывезена за пределы участка. По укрупненным расчетам, проведенным с использованием описанной выше геомеханической модели, следует, что уровень вертикальных перемещений под техногенной нагрузкой сопоставим с перемещениями, полученными по результатам геодезических съемок в районах мощных землетрясений, связанных с заполнением крупных водохранилищ [2]. Поскольку часть добытых из карьерной выемки пород складируется на прилегающих территориях, это вызывает противоположные по направленности нагрузки, и земная кора в этом случае подвергается моментному нагружению. Деформации, возникающие в прибортовом массиве при формировании вторичного поля напряжений в данном случае не рассматриваются, поскольку они имеют достаточно локальное распространение, в сравнении с зоной техногенного влияния горных разработок.

Также на исследуемом участке имеется развитая государственная геодезическая сеть, оборудованная в 1960 г. перед началом разработки месторождения (рис. 2), для которой имеются первоначальные пространственные координаты центров пунктов. Эта сеть при исследованиях выполняла роль мониторинговой наблюдательной станции, охватывающей всю область горных разработок. За более чем 40-летний период неизбежно произошли изменения пространственных координат пунктов сети, которые были вызваны суммарным воздействием как природных, так и техногенных факторов. Повторные определения пространственных координат этих пунктов, выполненные в современные период, позволяют определить величины горизонтальных и вертикальных деформаций земной поверхности в районе месторождения. Таким образом, инструментальными измерениями было охвачено 11 пунктов государственной геодезической сети 2-4 классов, расположенных на участке площадью в 120 кв.км. в зоне мощного техногенного воздействия горных разработок.

В соответствии с разработанной программой исследований, в 1998-2001 г.г. в мониторинговом режиме были проведены повторные неоднократные переопределения пространственных координат пунктов государственной геодезической сети. Переопределения координат производились с применением комплексов спутниковой геодезии [5], состоящему в разные периоды времени из 2-5 приемников геодезического класса фирмы Trimble Navigation. При условии одновременной работы более 2 GPS-приемников по результатам разности фаз измерений спутникового радиосигнала возможно определение с субсантиметровой точностью пространственных компонент базовой линии между двумя и более реперами наблюдательной станции. Экспериментальные работы производились по специально разработанным методикам полевых наблюдений и камеральной обработки результатов [6]. Точность определения пространственных компонент базовых линий составляла 3-5 мм. при длинах сторон сети, равных 5-10 км. Совокупность нескольких базовых линий представляет собой пространственную GPS-сеть на поверхности математического эллипсоида WGS-84. При наличии в сети избыточных геометрических построений возможно оценить качество полевых измерений и камеральной обработки по внешнему контролю точности, заключающемуся в анализе невязок, полученных при геометрическом замыкании замкнутых построений. В дальнейшем GPS-сеть строго уравнивается по методу наименьших квадратов, плановые координаты пунктов сети трансформируются на эллипсоид Красовского в принятой картографической проекции, высоты пунктов сети над эллипсоидом трансформируются в высоты геоида с использованием соответствующих моделей геопотенциала Земли.

Поскольку точность первоначальных геодезических построений была различной - сеть представлена пунктами триангуляции 2, 3, 4 классов, каждый пункт сети имеет собственную первоначальную погрешность, величина которой в большинстве случаев неизвестна. На сегодняшний день не существует какой-либо устоявшейся методики определения величины погрешности координат каждого пункта сети, поэтому при обработке сети на этой проблеме внимание не заострялось, всем пунктам сети во время уравнивания были присвоены одинаковые первоначальные погрешности из предположения что имеющиеся на участке деформации будут выше величин погрешностей первоначальных определений координат.

Определенные проблемы возникают также при центрировании и ориентировании геодезической сети. Все геодезические GPS-построения являются высокоточными относительными геометрическими связями между пунктами сети до тех пор, пока сеть не будет соответствующим образом отцентрирована и ориентирована. Для выполнения этой задачи необходимо во время уравнивания указать в качестве опорных как минимум два пункта сети. Поскольку наблюдательная станция сама по себе расположена на неравномерно деформирующемся массиве горных пород, то поиск двух пунктов сети, координаты которых можно принять за исходные, может стать достаточно сложной задачей. Обычно эта задача решается путем анализа величин изменения длин линий и превышений между различными пунктами сети. В нашем случае эта пара пунктов (N - P) была достаточно быстро определена. Изменения дли линий и превышений между этими пунктами сети были минимальными за более чем 40-летний период, к тому же эта пара пунктов достаточно удалена от основных источников наведенных деформационных процессов - карьера и отвалов пустых пород.

На следующем этапе были получены каталоги современных пространственных координат реперов наблюдательной станции, длины линий и превышений между пунктами сети. По изменениям координат пунктов были вычислены величины и направления векторов горизонтальных сдвижений и величины вертикальных смещений реперов наблюдательной станции. По изменениям дли линий и превышений между реперами наблюдательной станции были определены величины горизонтальных и вертикальных деформаций массива горных пород. План поверхности месторождения, схема геодезической сети, вектора смещений и изолинии вертикальных смещений приведены на рис. 3. По результатам измерений было установлено, что величина вектора смещений в горизонтальной плоскости достигает 330 мм, что соответствует величинам деформаций 0.06^.10^-3, амплитуда смещений в вертикальной плоскости достигает 150 мм (на участке были зафиксированы как зоны поднятия, так и зоны оседания земной поверхности), что соответствует величинам наклона 0.05^.10^-3. Указанные величины смещений произошли за 40-летний период разработки месторождения. За время ежегодных мониторинговых инструментальных измерений каких-либо значительных изменений координат пунктов сети не произошло.

Как видно из рис. 3, изменений координат за 40-летний период не претерпели только два пункта государственной геодезической сети, расположенные на северо-западной окраине жилого поселка. Остальные же 9 пунктов сети претерпели более или менее значительные изменения пространственных координат. Наиболее ярко это изменение проявилось в вертикальной плоскости. Как и предполагалось, в зоне горных разработок произошла разгрузка массива и воздымание массива на величину до 100 мм. В зоне отвалообразования, наоборот, массив был дополнительно пригружен и произошло его проседание на величину до 40 мм. Соотношение величин воздымания и проседания массива составляет 2.5, примерно этой же величиной характеризуется соотношение вынутой горной массы к отсыпанной в отвалы. Не совсем четко еще объяснен характер распределения векторов и величин горизонтальных сдвижений. Как видно из рисунка 3, четко выделяются две группы реперов, имеющие различные величины и направления векторов смещений в горизонтальной плоскости. Южная группа реперов - репера D, H, S и K имеют близкое к северному направление вектора горизонтальных сдвижений, причем абсолютные величины векторов примерно одинаковы. В северной группе реперов - (репера A, B, P, S и Z) преобладают западное и северо-западное направления сдвижений в горизонтальной плоскости. Абсолютные величины векторов сдвижений в этой группе реперов в 2-3 раза меньше, чем соответствующие значения в южной группе реперов наблюдательной станции. По всей видимости, подобное распределение по территории величин горизонтальных сдвижений, обусловлено иерерхически-блочным строением массива горных пород, в этом случае каждому структурному элементу среды присущ свой собственный характер деформирования. Также играет роль воздействие двух факторов: перераспределения поля напряжений и деформаций за счет образования выемки в тектониче-ски напряженном массиве горных пород и влияния знакопеременных техногенных нагрузок с возникновением момента сил в массиве.

Смещения, происходящие в вертикальной плоскости, наиболее хорошо заметны при рассмотрении 3-d представления результатов экспериментальных работ, приведенных на рис. 4. Четко выделяются зона оседания массива, вызванная пригрузкой массива в зоне отвалообразования и зона поднятий, вызванная разгрузкой массива в зоне карьерной выемки. Также четко выделяется зона высокоградиентных деформаций - репера A и B, расположенная между двумя различно направленными источниками техногенного воздействия. По мнению авторов, именно эта высоградиентная зона представляет наибольшую потенциальную опасность, поскольку по ней наиболее вероятна реализация накопленных в массиве горных пород напряжений.

Таким образом, результаты экспериментальных данных подтверждают реальность выдвинутых научных положений и действительность компьютерного моделирования. При проведении укрупненных модельных расчетов справедливо представлять реальный массив изотропной упругой средой, для выявления основных закономерностей его деформирования под воздействием техногенных нагрузок.

Подрисуночные надписи:

Рис. 1. Геомеханическая модель участка литосферы, подверженного техногенному воздействию масштабной добычи полезных ископаемых

Рис. 2. Схема расположения объектов техногенного влияния и пунктов геодезической сети на исследуемом участке

Рис. 3. Изолинии вертикальных смещений и вектора горизонтальных сдвижений пунктов наблюдательной станции

Рис. 4. Вертикальные смещения земной поверхности, произошедшие на экспериментальном участке

Список литературы:

1. Сашурин А.Д., Панжин А.А. Масштабное техногенное воздействие горных разработок на участок литосферы //Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения): Доклады Международной конференции 6-10 июля 1998 г. -Екатеринбург. УрО РАН, 1998. -C.170-178.

2. Сашурин А.Д. Явления изостазии при разработке месторождений полезных ископаемых //Приложение результатов исследования полей напряжений к решению задач горного дела и инженерной геологии. - Апатиты: Кольский фил. АН СССР, 1985. -С.27-31.

3. Лурье А.И. Пространственные задачи теории упругости. -М.: Наука, 1955.

4. Королев В.И. Упругопластические деформации оболочек. -М.: Машиностроение, 1971.

5. Голубко Б.П., Панжин А.А. Маркшейдерские опорные и съемочные сети на карьерах: Учеб-ное пособие //УГГГА. -Екатеринбург: УГГГА, 1999. -55с.

6. Панжин А.А. Наблюдение за сдвижением земной поверхности на горных предприятиях с использованием GPS. //Известия Уральской государственной горно-геологической академии. Вып.11. Серия: Горное Дело. -Екатеринбург. 2000 -С.196-203.