Экспериментальные дослідження масштабного техногенного впливу гірських розробок на ділянку літосфери

Экспериментальные дослідження масштабного техногенного впливу гірських розробок на ділянку литосферы

Панжин Андрій Олексійович, науковий співробітник інституту гірського справи Уральського відділення РАН, Єкатеринбург.

В цій статті узагальнюється досвід дослідження масштабного техногенного впливу гірських розробок на верхню частина земної кори. Розглядаються основні чинники техногенного впливу і рівень їх впливу масив гірських порід. Розглянута геомеханическая модель ділянки літосфери, підданого техногенному впливу і зроблено укрупнені розрахунки виникаючих деформацій в масиві гірських порід. Для перевірки модельних розрахунків було проведено експериментальні роботи з визначенню величин техногенних деформацій. Виміри проводилися у зоні техногенного впливу гірських робіт Киембаевского ГЗК. Під час проведення геодезичних вимірів з допомогою GPS-оборудования отримано фактичні величини техногенних деформацій, хто був порівняно з величинами деформацій, одержаними у результаті моделювання на геомеханічних моделях.

Масштабная розробка родовищ корисних копалин пов’язані з потужним техногенним впливом на земну кору. Тривалі терміни експлуатації родовищ, більше об'ємів переміщуваних порід, концентрація видобутку на обмежених територіях, усе це спричиняє порушення початкового напружено-деформованого стану земної кори на великих територіях. Таке впливу поруч із природними геомеханическими процесами, такі як тектонічні зрушення по структурним блокам, природні землетрусу виникають звані наведені геомеханические процеси, викликані техногенної діяльністю людини. Такі процеси з приводу силі їх прояви порівняти з природними, які небезпека поглиблюється тим, що вони тривають в західних областях концентрації економічної діяльності. Кожна форму прояви наведених геомеханічних процесів здатна здійснити серйозні порушення житлових й управління промислових об'єктів, зокрема екологічно небезпечних, як-от атомні і теплові електростанції, хімічні підприємства. Актуальність досліджень викликана тим, що лише у районі гірничопромислового Уралу існує на менше 7 районів потенційно небезпечних по прояву одній з форм наведених геомеханічних процесів внаслідок досягнутих масштабів виробництва [1].

В ролі чинників техногенного впливу особи на одне земну кору виступають або переміщення мас гірських порід — виїмка з кар'єрів і підземних розробок та складування дробильних порід і відходів збагачення в відвали, або порушення гидрогеологического режиму на зв’язки й з відкачуванням підземних вод. Джерелом формування наведених геомеханічних процесів є порушення початкового рівноваги у напруженій стані верхню частину земної кори внаслідок видобутку корисних копалин [2]. Вторинне полі напруг формується з допомогою освіти вилучень і порожнин в гірському масиві і завдяки изостазического порушення рівноваги внаслідок переміщення великих обсягів гірських порід, особливо в відкритих розробках. При видобутку твердих з корисними копалинами супутніми чинниками виступають відкачування підземних вод, освіту депресійних воронок. При видобутку нафти і газу, масових откачках підземних вод ці чинники може стати ведущими.

При зовнішньої складності явищ, які у районі видобутку з корисними копалинами, геомеханическая модель деформування то, можливо розкритий достатньо простими побудовами. Основним елементом моделі є зовнішнє відображення ділянки земної кори. Залежно від поглядів на будову верхню частину земної кори геомеханическая модель її ділянки, підданого техногенному впливу то, можливо представлена або нижнім полупространством нескінченних розмірів за площею та глибині (рис. 1а), або у відповідність до глобальної тектоникой плит, як оболонки кінцевої товщини і нескінченних розмірів у плані, яка перебуває на в’язкому шарі астеносферы (рис. 1б).

.

Рис. 1. Геомеханическая модель техногенного на литосферу, а — ділянку земної кори представлений нижнім полупространством нескінченних размеров;

б — ділянку земної кори подано у вигляді оболонки кінцевої товщини і нескінченних розмірів в плане Граничные умови геомеханической моделі включають бічні горизонтальні сили та об'ємний вагу. У другий випадок на розділі між літосферою і астеносферой діють гідростатичні сили, уравновешивающие вагу литосферной плити. Бічні горизонтальні сили складаються з горизонтальних тектонічних сил, однакових за глибиною і бічного распора від гравітаційних сил, пропорційних глибині. Техногенні сили відповідають вазі порід, переміщуваних розробки. На ділянці видобутку, робити кар'єру чи зоні підземної видобутку, відбувається розвантаження масиву, але в ділянці отвалообразования масив навантажується, викликаючи виникнення моменту наснаги в реалізації массиве.

Математический апарат на дослідження поведінки геомеханической моделі полягає в класичних рішеннях завдання Бусинеска до розрахунку моделі, представленої нескінченним полупространством [3] і розрахунку оболонок до розрахунку моделі, відповідної сучасними уявленнями глобальної тектоніки плит [4]. Не виключається і те, що у ділянці, схильній до техногенному впливу будуть виявлятися у тому чи іншою мірою властивості обох моделей.

Укрупненные розрахунки з геомеханическим моделям, проведені на на початкових етапах їх досліджень показали, що справжній рівень вертикальних переміщень під техногенного навантаження можна з переміщеннями, отриманими за результатами геодезичних зйомок околицях потужних землетрусів, що з заповненням великих водоймищ [1]. У цьому треба враховувати дві речі навантаження земної кори при техногенному вплив від розробки копалин. По-перше, глибини кар'єрів в 2−2.5 разу перевищують глибини штучних водоймищ, що з урахуванням щільності порід викликає у 5−6 разів більші удільні навантаження. По-друге, частина добутих порід складується на прилеглих територіях, що викликає протилежні за спрямованістю навантаження. Земне кора піддається у разі моментному нагружению.

Сформулированные теоретичні становища, котрі розкривають природу і механізм прояви масштабного техногенного впливу гірських розробок на ділянку літосфери, пройшли експериментальну перевірку на гірських підприємствах. Цікаві результати отримано дільниці розробки Киембаевского азбестового родовища (р. Ясний, Оренбурзької обл.). Обстежуваний район має чіткі параметри техногенного на літосферу. Обсяг кар'єрної виїмки становив на час близько 500−700 млн. тонн гірської маси, третину обсягу якої був складирована в відвали порожніх порід, розташовані північніше кар'єра. На досліджуваному ділянці є розвинена державна геодезичну мережу, обладнана в 1960 р. перед початком розробки родовища. Отже, інструментальними вимірами охопив 11 пунктів державної геодезичної мережі 2−4 класів, розташованих дільниці площею 120 кв.км.

В відповідність до розробленої програмою досліджень, в 1998;2001 рр. в моніторинговому режимі було проведено повторні кількаразові перевизначення просторових координат пунктів державної геодезичної мережі. Перевизначення координат проводилися із застосуванням комплексів супутникового геодезії [5] по спеціально розроблених методикам польових спостережень і камеральної обробки результатів [6]. Точність визначення просторових координат становила 5−7 мм. За результатами зіставлення початкових і сучасних координат пунктів геодезичної мережі було визначено усунення реперів горизонтальної і вертикальної площині. План поверхні родовища, схема геодезичної мережі, вектора зсувів і ізолінії вертикальних зсувів наведено малюнку 2. За результатами вимірів було встановлено, що обсяг вектора зсувів горизонтальної площині сягає 330 мм, що він відповідає величинам деформацій 0.06×10−3, амплітуда зсувів в вертикальної площині сягає 150 мм (дільниці були зафіксовані як зони підняття, і зони осідання земної поверхні), що відповідає величинам нахилу 0.05×10−3. Зазначені величини зсувів сталися за 38-річний період розробки родовища. Протягом часу щорічних моніторингових інструментальних вимірів будь-яких значних змін координат пунктів мережі не произошло.

.

Рис. 2. Вектора горизонтальних сдвижений і ізолінії вертикальних зсувів пунктів геодезичної сети Как це випливає з малюнка, змін координат за 38-річний період не зазнали лише 2 пункту державної геодезичної мережі, розташовані на північно-західній околиці житлового селища. Інші ж 9 пунктів мережі зазнали більш-менш значних змін просторових координат. Найяскравіше це й зміна проявилося під час вертикальної площині. Як передбачалося, у зоні гірських розробок відбулася розвантаження масиву і воздымание масиву на величину до 100 мм. У зоні отвалообразования, навпаки, масив був додатково пригружен і сталося його просідання на величину до 40 мм. Співвідношення величин воздымания і просідання масиву становить 2.5, приблизно тієї ж величиною характеризується співвідношення вийнятої гірської маси до відсипаної в відвали. Але не зовсім чітко ще пояснений характер розподілу векторів і величин горизонтальних сдвижений. Найімовірніше у разі вплив двох чинників: перерозподілу поля напруг і деформацій за рахунок утворення виїмки в тектонически напруженому масиві гірських порід і впливу знакопеременных техногенних навантажень з появою моменту наснаги в реалізації массиве.

Таким чином, результати експериментальних даних підтверджують реальність висунутих наукових положень цих та дійсність комп’ютерного моделювання. Слід зазначити, можливість предрасчета і моделювання ситуації надає певні можливості у управлінні процесом. Справді, якщо процес деформування масиву гірських порід залежить від технології, то, знаючи цю залежність, цілеспрямованими діями можна направити цей процес на потрібному руслі. І тут виникає альтернатива, яке вибрати русло v або гуманне, спрямоване на запобігання небезпечної ситуації, чи навпаки, з інших інтересів, провокує катастрофічну ситуацию.

Список литературы

1. Сашурин А. Д., Панжин А. А. Масштабне техногенне вплив гірських розробок на ділянку літосфери //Проблеми геотехнологии і недроведения (Мельниковские читання): Доповіді Міжнародної конференції 6−10 липня 1998 р. -Єкатеринбург. УрО РАН, 1998. -C.170−178.

2. А. Д. Сашурин. Явища изостазии розробки родовищ корисних копалин //Додаток результатів дослідження полів напруг до вирішення завдань гірського справи і інженерної геології. — Апатити: Кольський філ. АН СРСР, 1985. — С.27−31.

3. А.І. Лур'є. Просторові завдання теорії пружності. -М.: Наука, 1955.

4. В.І. Корольов. Упругопластические деформації оболонок. — М.: Машинобудування, 1971.

5. Голубко Б. П., Панжин А. А. Маркшейдерские опорні і знімальні мережі на кар'єрах: Навчальний посібник //УГГГА. -Єкатеринбург: УГГГА, 1999. -55с.

6. Панжин А. А. Спостереження за сдвижением земної поверхні на гірських підприємствах, із використанням GPS. //Вісті Уральській державної горно-геологической академії. Вып.11. Серія: Гірське Річ. — Екатерин-бург. 2000 -С.196−203.

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.