НАВЕДЕННЫЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОТ МАСШТАБНОЙ ТЕХНОГЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО ДОБЫЧЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

А.Д. Сашурин, А.А. Панжин

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург

Работа выполнена при поддержке РФФИ

Масштабная разработка месторождений полезных ископаемых сопряжена с мощным техногенным воздействием на земную кору. Длительные сроки эксплуатации месторождений, большие объемы перемещаемых 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, естественные землетрясения 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. Каждая из форм проявления наведенных геомеханических процессов способна произвести серьезные нарушения жилых и промышленных объектов, в том числе экологически опасных, таких как атомные и тепловые электростанции, химические предприятия. Актуальность исследований вызвана тем, что только в районе горнопромышленного Урала существует на менее семи районов потенциально опасных по проявлению одной из форм наведенных геомеханических процессов вследствие достигнутых масштабов производства.

В качестве факторов техногенного воздействия человека на земную кору выступают либо перемещения масс горных пород - выемка из карьеров и подземных разработок и складирование вскрышных пород и отходов обогащения в отвалы, либо нарушение гидрогеологического режима в связи с откачкой подземных вод. Источником формирования наведенных геомеханических процессов является нарушение первоначального равновесия в напряженном состоянии верхней части земной коры в результате добычи полезного ископаемого [1]. Вторичное поле напряжений формируется за счет образования выемок и пустот в горном массиве и за счет изостазического нарушения равновесия вследствие перемещения больших объемов горных пород, особенно при открытых разработках (рис. 1). При добыче твердых полезных ископаемых сопутствующими факторами выступают откачки подземных вод, образование дипрессионных воронок. При добыче нефти и газа, массовых откачках подземных вод эти факторы могут оказаться ведущими.

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 (рис. 2a), либо в соответствии с глобальной тектоникой плит, в виде оболочки конечной толщины и бесконечных размеров в плане, находящейся на вязком слое астеносферы (рис. 2b). 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.

Математический аппарат для исследования поведения геомеханической модели основывается на классических решениях задачи Бусинеска для расчета модели, представленной бесконечным полупространством [2] и расчета оболочек для расчета модели, соответствующей современным представлениям глобальной тектоники плит [3]. Не исключается то, что на участке, подверженному техногенному воздействию будут проявляться в той или иной степени обе модели.

Укрупненные расчеты по обеим моделям, проведенные на данном этапе исследований геомеханических моделей приведены в таблице ниже.

Максимальные вертикальные перемещения земной поверхности, м

Уровень вертикальных перемещений под техногенной нагрузкой сопоставим с перемещениями, полученными по результатам геодезических съемок в районах мощных землетрясений, связанных с заполнением крупных водохранилищ [4]. При этом следует учитывать две особенности нагружения земной коры при техногенном воздействии от разработки полезных ископаемых. Во первых, глубины карьеров в 2-2.5 раза превышают глубины искусственных водохранилищ, что с учетом плотности пород вызывает в 5-6 раз большие удельные нагрузки. Во вторых, часть добытых пород складируется на прилегающих территориях, что вызывает противоположные по направленности нагрузки. Земная кора подвергается в этом случае моментному нагружению.

Кроме того модели, отражающие оболочки, оценивались на устойчивость от боковых нагрузок граничных условий. Результаты показали, что граничные нагрузки в несколько раз превышают критические нагрузки, способные нарушить устойчивость оболочки. Следовательно, в литосферных плитах существуют реальные возможности к возникновению катастрофических деформаций без техногенного воздействия. В зависимости от сочетания множества факторов они могут происходить либо в динамической форме в виде землетрясений, либо в виде относительно спокойных перемещений по имеющимся структурным нарушениям. Обе формы представляют опасность для окружающих объектов.

Изученность техногенного воздействия горных работ и сопровождающих его наведенных геомеханических процессов находится в настоящее время на начальной стадии. Наиболее изученными являются горные удары, сопровождающие отработку месторождений полезных ископаемых. Имели место на горных предприятиях и более крупные динамические явления, отнесенные к землетрясениям магнитудой от 4 до 6 на Южно-Уральском бокситовом руднике (г. Сатка), на Соликамском руднике (г. Соликамск) и на Североуральском бокситовом руднике (г. Североуральск).

Вопрос прогнозирования проявлений наведенных геомеханических процессов от производства горных работ имеет самое актуальное значение. Крупным шагом является создание Уральского центра изучения природы техногенных катастроф при поддержке РФФИ. Программа исследований включает определение смещений геодезических пунктов вблизи участком масштабной добычи полезных ископаемых для уточнения геомеханической модели, геофизические исследования структурных неоднородностей массива горных пород, компьютерное моделирование наведенных геомеханических процессов.

Подрисуночные надписи:

Рис. 1. Геомеханическая модель техногенного воздействия на литосферу: а - первоначальное поле напряжений района горных работ; б - вторичное поле напряжений; в - изостазические вертикальные смещения земной поверхности

Рис. 2. Геомеханическая модель техногенного воздействия на литосферу: а - участок земной коры представлен нижним полупространством бесконечных размеров; б - участок земной коры представлен в виде оболочки конечной толщины и бесконечных размеров в плане

Использованные источники:

1. A.Д. Сашурин. 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.

2. A.И. Лурье. Пространственные задачи теории упругости. -М.: Наука, 1955.

3. В.И. Королев. Упруго-пластические деформации оболочек. -М.: Машиностроение, 1971.

4. A.D. Sashourin. Formation of centres of technogeneous catastrophes in area of intense mineral mining //Mining in the Arctic, Trondheim, Norway, 1996, P.201-206. (Формирование очагов техногенных катастроф в районах интенсивной добычи полезных ископаемых).