Главная О проекте Архив новостей Статьи Об авторах Конференции Форум Ссылки

МАСШТАБНОЕ ТЕХНОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ГОРНЫХ РАЗРАБОТОК НА УЧАСТОК ЛИТОСФЕРЫ

А.Д. Сашурин, А.А. Панжин

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург

Работа выполнена при поддержке РФФИ

Аннотация: В докладе представляются результаты исследования природы техногенных геомеханических явлений катастрофического характера, возникающих в районах добычи полезных ископаемых. Исследования выполнятся по программе проекта, финансируемого Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ). Среди причин, порождающих техногенные катастрофы, ставшие неотъемлемой частью возросших масштабов промышленной деятельности, ведущее место занимают деформации массива горных пород, проистекающие либо в виде медленных подвижек по существующим и вновь образуемым структурным нарушениям, либо в динамической форме в виде землетрясений.

Введение

Неуклонный рост риска возникновения техногенных катастроф в области недропользования коррелирует с растущими масштабами добычи, переработки и транспортировки полезных ископаемых, свидетельствуя о том, что принимаемые меры по предотвращению катастрофических последствий от техногенного воздействия горных разработок на литосферу не компенсируют падения безопасности среды обитания человека.

Приведенные в работе [1] данные свидетельствуют, что наряду с уже очевидными источниками катастроф гидротехническими сооружениями, все более уверенно в этой роли утверждаются крупные горные предприятия по добыче твердых полезных ископаемых, нефти и газа.

Несмотря на очевидную необходимость предупреждения техногенных катастроф, связанных с добычей полезных ископаемых, проблема эта пока не привлекла к себе должного внимания ни в прикладном аспекте, ни в фундаментальной области.

1. Постановка проблемы

Геодинамические явления в земной коре имеют или естественное происхождение, обусловленное тектоническими процессами, или искусственное, вызванное техногенной деятельностью по добыче полезных ископаемых. Механизм развития обоих видов геодинамических явлений одинаков. Отличие состоит лишь в местах проявления. Техногенные или наведенные приурочены обязательно к областям влияния техногенных нагрузок, создаваемых на участках добычи полезных ископаемых. По результатам некоторых экспериментов радиус области влияния крупного горного предприятия составляет несколько десятков километров [2]. По теоретическим представлениям область влияния может иметь большие значения.

Медленное развитие деформаций, как правило, не сопровождается сейсмическими эффектами и разрушительные последствия в этом случае ограничиваются лишь непосредственным воздействием либо на основание объекта, либо на сам объект подземного типа. Опасность их, несмотря на отсутствие сейсмических эффектов определяется достаточно высокими скоростями деформирования земной поверхности, достигающими (1.0-3.0)^.10^-3 в год в сейсмически спокойных районах Урала. При дискретном распределении деформаций в блочной среде можно ожидать смещения по структурным нарушениям с метровым измерением. Подобные примеры имели место в районе г. Камышлова и в Ирбитском районе Свердловской области в 1961-1962 годах, когда на поверхности земли образовались раскрытые трещины до 0.4 м шириной, уходящие на неизвестные глубины [3].

Распространенность медленных деформаций и подвижек представляет серьезную опасность для ответственных и экологически опасных сооружений. Особенно велика вероятность встречи с ними у протяженных объектов: магистральных трубопроводов, железных дорог, линий электропередач и др., а также у ограждающих дамб и плотин водохранилищ, хвосто- и шламохранилищ вследствие их тяготения к разломным структурам в земной коре.

2. Методы исследования

2.1. Модельные представления

При внешней сложности явлений, происходящих в районах добычи полезных ископаемых, геомеханическая модель иссследуемого района может быть представлена несложными построениями [1]. Основным элементом модели является отображение участка земной коры либо нижним полупространством бесконечных размеров по площади и глубине, либо, в соответствии с глобальной тектоникой 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. В случае моделирования оболочки, 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, пропорционального глубине. Техногенные силы соответствуют весу пород, перемещаемых при разработке. Наличие зон нагрузки и разгрузки создает моментное нагружение масссива.

2.2. Теоретические исследования

Теоретические исследования масштабного техногенного воздействия на участок литосферы основываются на классических решениях механики сплошной среды. Для условий, когда модель представляется нижним полупространством, теоретические решения исходят из известного решения Бусинеска о действии сосредоточенной силы на полупространство [4]. В зависимости от характера нагрузки, сосредоточенная сила может заменена распределенной по площади по определенному закону.

В случае моделирования литосферной плиты оболочкой, расчет параметров ее деформирования под воздействием техногенных нагрузок производится с помощью математического аппарата известных решений оболочек с разными видами нагрузок [5].

2.3. Экспериментальные исследования

Экспериментальные исследования деформаций, вызванных техногенным воздействием добычи полезных ископаемых, осуществляются путем проведения геодезического мониторинга за геодезическими знаками, оборудованными в области влияния горных разработок. Учитывая размеры этой области, реальное проведение такого мониторинга стало возможно лишь с внедрением в практику научных исследований приборов спутниковой геодезии типа GPS. В настоящее время для этих целей нами используются приемники фирмы Trimble (USA) по методике, схематично представленной на рис. 1.

3. Объекты исследований

Урал исторически является крупнейшим горнодобывающим регионом России, поэтому для него риск возникновения техногенных катастроф, вызванных добычей полезных ископаемых очень реален. Три крупнейших карьера Урала, добывающие железную руду (г. Качканар), асбест (г. Асбест) и уголь (г. Коркино), значительно превысили уровень техногенного воздействия, при котором становятся возможными наведенные геодинамические процессы. Аналогичное положение сложилось и в районах подземной добычи соли (г. Соликамск), бокситов (г. Североуральск, г. Сатка), железной руды (г. Кушва, г. Нижний Тагил) и др. В настоящее время выделяется по крайней мере 7 районов добычи, потенциально опасных по наведенным геодинамическим явлениям. В некоторых из них уже имели место крупные геодинамические явления, отнесенные к землетрясениям с магнитудой 4-6.

4. Организация исследований

Институт горного дела УрО РАН располагает большим объемом инструментальных наблюдений за сдвижением горных пород на горных предприятиях Урала за 30-летний период.

Принципиально новые возможности в этой области дает применение комплекса спутниковой геодезии. В 1997 г. в ИГД УрО РАН за счет финансовой поддержки Российского фонда фундаментальных исследований создан Уральский центр геомеханических исследований природы техногенных катастроф в районах добычи полезных ископаемых. Он оснащен геодезическим оборудованием типа GPS, позволяющим организовать наблюдения за деформациями земной коры, вызванными техногенным воздействием горных разработок.

5. Результаты исследований

Лабораторные исследования моделей, отражающих литосферную плиту, в комплексе с теоретическими расчетами на основе теории оболочек свидетельствуют, что при действии естественных горизонтальных тектонических напряжений в земной коре, первый инвариант которых оценивается в среднем -30.8 МПа [6], в оболочке возникает критическая нагрузка, способная вызвать ее деформирование в виде "хлопка". Этот вид потери устойчивости, известный в теории оболочек, сопровождается мгновенным развитием деформаций с сейсмическими эффектами. Техногенные нагрузки в этом случае играют роль триггера, определяющего место и время развития деформаций.

Одним из характерных районов масштабного техногенного воздействия является район добычи асбеста вблизи г. Асбеста (рис. 2). В настоящее время глубина карьеров достигла 300 м и из них удалено более 5 млрд. тонн пород, большая часть которых заскладирована в отвалы. Кроме карьеров и отвалов комбината Ураласбест, в качестве техногенных факторов в этом районе выступают Курмановский щебенчатый и Малышевский изумрудный карьеры и их отвалы, а также Рефтинское и Белоярское водохранилище объемом около 1 км³ каждое. Социальная опасность геодинамических проявлений в этом районе усугубляется наличием Белоярской атомной электростанции.

На первом этапе были проведены теоретические исследования геомеханической модели района с заданием техногенного воздействия соответствующими силами. Вертикальные смещения земной поверхности, вызванные техногенными силами представлены на рис. 3. В распределении вертикальных смещений земной поверхности четко выделяются две области с противоположным направлением смещений - область влияния карьера с поднятием поверхности за счет техногенной разгрузки земной коры и области оседаний, вызванные нагружением земной коры отвалами и водохранилищами. Величины оседаний и поднятий примерно одинаковы и достигают до 1 м.

6. Обсуждение результатов

Представленные выше результаты получены на основе теоретических решений, в которых на этом этапе среда модели принималась однородной. В реальной иерархически блочной среде деформирование носит дискретный характер, что внесет свои существенные поправки в теоретическую картину.

Тем не менее, полученные результаты позволяют сделать некоторые выводы относительно параметров масштабного техногенного воздействия горных разработок и возможных последствий их проявления.

1. Уровень вертикальных смещений земной поверхности от воздействия техногенных факторов сопоставим с величинами смещений, фиксируемыми на территориях происшедших крупных землетрясений [7].

2. Разные направления техногенного воздействия, обусловленные нагрузкой и разгрузкой участков земной поверхности, вызывают моментные нагружения массива горных пород.

3. Близость противоположных по знаку техногенных нагрузок создает области с высоким градиентом вертикальных смещений, что повышает вероятность проявления в этих областях геодинамических эффектов.

7. Заключение

Результаты выполненных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Техногенное воздействие горных разработок вносит серьезные изменения в напряженно-деформированное состояние больших участков земной коры и может послужить причиной геодинамических явлений с катастрофическими последствиями.

2. Исследование закономерностей развития деформационных процессов в земной коре под влиянием добычи полезных ископаемых, наряду с фундаментальным значением, весьма актуальны в прикладной сфере для обеспечения экологической безопасности при освоении недр.

3. Решение задач по выявлению техногенных катастроф, законов их развития и разработке методов предотвращения требует организации геодезического мониторинга за деформациями в области влияния горных разработок с применением оборудования спутниковой геодезии.

Подрисуночные надписи:

Рис. 1. Принципиальная схема исследования техногенного воздействия добычи полезных ископаемых: 1 - зона добычи; 2 - литосферная плита; 3 - горные работы; 4 - отходы производства; 5 - геодезические пункты

Рис. 2. Схема расположения объектов техногенного воздействия: 1 - Белоярское водохранилище; 2 - Рефтинское водохранилище; 3 - Асбестовские карьеры; 4 - Асбестовские отвалы; 5 - Малышевские изумрудные карьеры; 6 - Курмановский щебеночный карьер; 7 - город Асбест; 8 - Белоярская атомная электростанция; 9 - поселок Белоярский; 10 - город Заречный; 11 - Асбестовско-Ключевская зона разломов

Рис. 3. Вертикальные смещения земной поверхности, вызванные техногенным воздействием на литосферную плиту: 1 - Белоярское водохранилище; 2 - Рефтинское водохранилище; 3 - Асбестовские карьеры; 4 - Асбестовские отвалы; 5 - Малышевские изумрудные карьеры; 6 - Курмановский щебеночный карьер; 7 - город Асбест; 8 - Белоярская атомная электростанция; 9 - поселок Белоярский; 10 - город Заречный; 11 - Асбестовско-Ключевская зона разломов

Использованные источники:

1. Sashourin A.D. Formation of centres of technogeneous catastrophes in area of intense mineral mining //Mining in the Arctic. Proceedings international symposium. Swalbord, Norway. 1996 -Trondheim, 1996 -P. 201-206

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. Николаев Н.И. О применении исторических, археологических и палеосейсмических методов при изучении исторических проявлений землетрясений //Влияние инженерной деятельности на сейсмический режим. Наука, М.: 1977. -С. 1979-182

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

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

6. Sashourin A.D. On the parameteres of the first invariant of the stress state in the upper part of the earth crust: The 1-st. International Seminar "Stresses in the lithospere (global, regional, local)". Abstract of papers, Moskow, 1994, P. 162

7. Rikitake T. Prediction of earthquakes. Translation from English, Moskow, "Mir" publishing house, 1979

© 1998 Анатолий Д. Сашурин, Андрей А. Панжин