CC BY
47
© А.С. Батугин, И.М. Батугина, 2011
УДК 622.831:622.502.551.14.550.343.4
А. С. Батугин, И.М. Батугина
ГОРНО-ТЕКТОНИЧЕСКИЙ УДАР НА ШАХТЕ КУРГАЗАКСКАЯ НА ЮЖНОМ УРАЛЕ КАК РЕЗУЛЬТАТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИРОДНОЙ И ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМ
Рассмотрен возможный механизм горно-тектонического удара, произошедшего в мае 1990 года на шахте Кургазакская, проявившегося как техногенное землетрясение и имевшего серьезные экологические и экономические последствия.
Ключевые слова: горно-тектонический удар, тектонические напряжения, сме-ститель нарушения, карстовый провал.
^ О мая 1990 г. на шахте Кургазакская Южно-Уральского
£ О бокситового месторождения произошел горнотектонический удар, который был уникальным по масштабам площадного разрушения целиков (на площади в десятки гектаров). Ранее горные удары (стреляния и динамические разрушения кровли очистных камер) интенсивно проявлялись только на северовосточном фланге рудной залежи. Горно-тектонический удар произошел в центральной части залежи, где раньше были отмечены только толчки из почвы очистных камер. При горно-тектоническом ударе произошло поднятие почвы, вызвавшее характерное разрушение целиков, появились трещины на земной поверхности. Среди причин горно-тектонического удара экспертная комиссия назвала высокую концентрацию тектонических напряжений в поле шахты Кургазакская у контура зон непромышленной мощности, рудных целиков и геологических нарушений широтного направления, но окончательно механизм данного горного удара остался не выясненным.
После горно-тектонического удара на месторождении были выполнены исследования по геодинамическому районированию. Со временем, анализируя механизмы горно-текто-нических ударов на других месторождениях, а также землетрясений при закрытии шахт, авторы пришли к убеждению, что горно-тектонический удар на шахте Кургазакская сопровождался подвижкой блоков пород по
тектоническому нарушению, которая, в свою очередь, была спровоцирована прорывом воды из карстового провала на реке Ай.
Согласно развиваемой авторами тектонофизической модели горно-тектонического удара, подвижка блоков пород происходит по крупному тектоническому нарушению в направлении касательного напряжения, создаваемого региональным полем напряжений [1]. Условиями, способствующими проявлению горнотектонического удара, являются унаследованность поля напряжений (т.е. подготовленность массива к деформациям путем смещений по уже существующим поверхностям ослабления), снижение нормального сжатия крыльев нарушений при их затоплении, наличие значительных по размерам выработанных пространств, высокий уровень тектонических напряжений в массиве. Все эти условия были выполнены накануне горно-тектонического удара.
1. Выраженность границ геодинамически активных блоков в массиве. При проведении геодинамического районирования района месторождения выделены блоки ЫУ рангов. Границы блоков I ранга увязываются как с тектоническими, так и неотектониче-скими элементами. Так, граница блока, проходящая по меридиа-нальным отрезкам рек Белой и Ужи, разделяет склон Русской платформы и Предуральскую депрессию. Непосредственно граница 1—3, ограничивающая месторождение с северо-запада, отделяет Уфимский амфитеатр от Юрюзано-Сылвенской депрессии, частично проходит по границе Каратауского структурного комплекса. В целом, почти все границы блоков северовосточного простирания коррелируют с тектоническими разломами субуральского направления, а поперечные к ним являются секущими для указанных структур.
Одна из крупных зон разрывных нарушений, прослеженная геологоразведочными и геофизическими работами, протяженностью в несколько километров и шириной до полутора километров проходит от поселка Терминово через поселок Кукшик и верховья бассейна Покровского лога к Блинову логу. Эта зона нарушений сопоставляется с протяженной границей блоков II ранга, разделяющей относительно приподнятые юго-восточные блоки от относительно опущенных северо-западных блоков.
Границы блоков III и IV рангов непосредственно сопоставляются с разрывными нарушениями, зафиксированными при ведении горных работ. Вертикальная амплитуда вскрытых при ведении
подготовительных и очистных работ взбросов составляет от первых метров до 20-28 метров, у сдвигов вертикальная амплитуда не фиксируется. Взбросы имеют, в основном, северо-восточное простирание с северо-западным и юго-восточным падением смести-телей под углами от 30 до 60 градусов. Автором при обследовании горных выработок установлено, что крутопадающие протяженные нарушения, называемые на руднике "трещины без смещения", представляют собой правые и левые сдвиги. Сместители сдвигов, как правило, хорошо отполированы, имеют зеркала скольжения, на которых отчетливо видны штрихи и борозды скольжения.
Таким образом, в регионе прослеживаются и отражаются в геологической структуре при разных масштабах рассмотрения северо-восточные и секущие их разломы I—IV рангов.
2. Унаследованность поля напряжений. В целом для всего района Южного Приуралья и Урала характерно современное поднятие территории. Об этом свидетельствуют многочисленные факты. В частности, глубоко врезанные в коренные породы некогда свободно блуждающие меандры рек, уменьшение их извилистости за последний 110-летний период. Например, русло реки Ай врезано на глубину до 150-200 метров, а речные трассы расположены над урезом воды на высотах более чем 40 метров.
Известно, что восходящие движения земной коры приводят к увеличению уклонов рек, активизации глубинной эрозии и, как следствие этого, к постоянной ликвидации блуждающих меандр, отчленению стариц и спрямлению русел. Нисходящие движения вызывают противоположные явления: усиление свободного меанд-рирования, увеличение извилистости рек, заболачивание поймы и др. В этой связи следует упомянуть имеющиеся в литературе данные о сравнении картографических материалов разных лет издания на район Юрюзано-Сылвенской депрессии (Рождественский А.П.). Сравнение разновозрастных картографических материалов показывает, что за последние 109 лет у реки Ай очень резко проявилась тенденция к спрямлению, укорочению русла, причем за 11 лет с 1943 по 1954 гг. активность указанного процесса возросла.
Вышеприведенные факты свидетельствуют об общем поднятии территории, наиболее отчетливо проявляющемся для юговосточных блоков. Кроме того, северо-восточные окончания блоков "1153", "1640", "1031" несколько сдвинуты на восток, что ука-
зывает на существование правых сдвигов субширотной ориентировки.
Анализ схем блоков II-IV рангов показывает, что в направлении юго-восток — северо-запад наблюдается ряд ступенчато погруженных блоков. Частично границы блоков II и III рангов северо-западного простирания имеют правосдвиговую составляющую.
Специальные геоморфологические исследования по оценке динамического взаимодействия блоков по показателю эрозионноаккумулятивной деятельности рек (Е) показывают, что группа блоков, в одном из которых расположено Кургазакское месторождение, испытывает меньшие тектонические поднятия (или даже опускаются) относительно окружающих их блоков. Блок III ранга "358", в котором расположено Алексеевское месторождение, интенсивней поднимается в юго-западной части (Е = +10, р.Улуир), чем в районе месторождения (Е = +8).
На основании полученных материалов возможно оценить направления главных напряжений в массиве с помощью усовершенствованных автором тектонофизических методов. Учитывая, что углы падения взбросов составляют в среднем 40-50 градусов, а сдвиги имеют почти вертикальный сместитель, получим, что ось максимального сжатия при формировании такой структуры должна иметь северо-западную ориентировку (рис. 1).
Данные по обследованиям автором в горных выработках дизъюнктивам приведены в табл. Среди разрывных нарушений выделяются взбросы и сдвиги. Среди взбросов в основном преобладают "чистые" взбросы, без сдвиговой составляющей, среди сдвигов отмечаются правые и левые с близкими азимутами простирания. Результаты тектонофизического анализа всей совокупности дизъюнк-тивов представлены на рис. 1. Оси главных напряжений имеют следующие азимуты и углы падения:
<У\ = 295/10; а3 = 25; ст2 — почти вертикальная.
Отсюда следует, что для регионального поля напряжений, восстановленного по данным об активных разломах I-IV рангов, и для поля напряжений, восстановленного по данным о
Рис. 1. Результаты тектонофизического анализа нарушенности шахты Кур-газакская ЮУБРа: 1- полюс и направление смещения по разрывному нарушению; 2 - полюс и сектор возможных смещений по границам блоков; 3 - область наиболее вероятного положения оси максимального сжатия современного поля напряжений.
дизъюнктивных нарушениях, описанных в горных выработках, устанавливается соответствие в ориентировке осей главных напряжений. Это указывает на то, что поле напряжений, восстанавливаемое по данным о дизъюнктивной нарушенности, соответствует современному полю напряжений, т.е выполняется одно из условий, способствующих проявлению горно-тектонических ударов.
3. Периодическое затопление сместителей нарушений поверхностными водами. На месторождениях Урала карбонатные породы перекрываются толщей песчано-галечниковых и песчаноглинистых образований древнечетвертичного возраста аллювиального и пролювиального-делювиального происхождения. Локальные формы карста были заполнены более грубым материалом преимущественно в этот период.
Фильтрационные свойства материала-заполнителя обычно незначительные. Однако вместе с карбонатными породами в
Л ч. У 1984г 1 ! ^ "У, / ( 1
Г* -А, ч. \ , X 1990г ^4 и 1986г / ^ р 4 . 1 / элин ово-Каме V/ ! < ^ Н(^КС1е местор Г ^ 1. ч ✓ )ждение
/ N ч 1985^ 1984¡у / 1980г А • X V У А 1 X X V г — г с _ — -Ч ( - V / ( !
ч ^ - П / ''<Л '^г ■ ( / у ✓ с >. ‘Г° Кургаздв/Ько е месторожден Ч яе V X» V ч
'V
1984г
1
1 - место провала и год его образования
2 - граница блоков
Рис. 2. План структурной приуроченности карстовых провалов на реке Ай к границам блоков
них формируется единый поток подземных вод. При интенсивном нарушении режима фильтрационного потока в карбонатных породах, возникшего при осушении шахтного поля, создались благоприятные гидрогеологические условия для формирования суффо-зионной эрозии песчано-глинистого материала в карстовых полостях [2]. Этот механизм запустился на поле шахты Кургазакская после образования воронки депрессии. После образования воронки депрессии по тектоническим нарушениям начался переток воды в шахту, что привело к постепенному промыванию их сместителей снизу вверх до земной поверхности и формированию карстовых провалов. Карстовые провалы неоднократно возникали прямо в русле реки Ай, на границах геодинамически активных блоков, что приводило к резкому увеличению притока воды в шахту (рис. 2).
Например, 15 июля 1984 года в русле реки обнаружен провал с размерами по ширине реки 10 м, по длине реки 14 м, глубиной 21 м. Ликвидирован провал к 1 сентября. 21 июня 1985 года обнаружен провал с размерами по ширине реки 10 м, по длине реки 8 м, глубиной 9 м. В том же месте 29 августа 1985 года обнаружен провал с размерами по ширине реки 5 м, по длине реки 4 м, глубиной 20 м. Анализ тектонофизических условий нарушений поля шахты показывает (таблица), что часть нарушений может стабильно обладать высокой проницаемостью, сместители других нарушений плотно сжаты независимо от соотношения главных напряжений (критерий о ). Степень сжатия крыльев остальных нарушений может изменяться в зависимости от соотношения их величин. Именно к нарушениям и границам блоков с низкими значениями о приурочены карстовые провалы (рис. 2). Кроме того, крутопадающие взбросы северо-восточной ориентировки, как, например, пересекающий все шахтное поле взброс с амплитудой до 22 м (нарушение 16) наблюдаются наиболее высокие значения касательных напряжений (критерий т ).
4. Механизм горно-тектонического удара. Очередной провал в русле реки Ай образовался в мае 1990 года. Речная вода устремилась по неоднократно промытым нарушениям к области ведения горных работ. В результате заполнения сместителей водой произошло снижение нормального сжатия крыльев нарушений на несколько мегапаскалей.
345
Название нарушения Аз. пад Уг. Пад Ц„=1 =0 Ц„ =+1
Т О * О Т О * О Т О * О
1 25 80 0,2 1,0 1,2 0,1 0,7 1,0 0,0 0,4 0,7
2 20 90 0,4 1,0 1,2 0,4 0,7 1,0 0,7 0,4 0,7
3 80 90 0,3 1,0 1,2 1,0 0,9 1,3 2,0 0,8 1,3
4 15 85 0,2 1,0 1,3 0,4 0,7 1,0 1,3 0,4 0,7
5 110 28 2,2 0,5 0,6 2,2 0,5 0,7 2,3 0,5 0,8
6 290 30 2,6 0,6 0,8 2,6 0,6 0,9 2,5 0,6 1.1
7 25 75 0,5 1,0 1,2 0,3 0,7 1,0 0,0 0,4 0,7
8 300 50 1,7 0,9 1,1 1,6 0,8 1,2 1,7 0,8 1,4
9 30 88 0,2 1,0 1,2 0,3 0,7 1,0 0,9 0,4 0,7
10 235 45 2,5 0,7 . 0,9 2,2 0,6 0,9 2,6 0,5 0,9
11 305 37 2,3 0,7 0,9 2,3 0,7 1,0 2,3 0,7 1,2
12 320 40 2,1 0,8 1,0 2,1 0,7 1,1 2,4 0,7 1,2
13 320 60 1,0 1,0 1,2 1,2 0,9 1,3 1,8 0,8 1,4
14 25 90 0,4 1,0 1,2 0,3 0,7 1,0 0,5 0,4 0,7
15 130 20 1,1 0,4 0,5 1,3 0,4 0,6 1,5 0,4 0,7
16 130 60 2,3 0,8 0,9 2,3 0,7 1,1 2,4 0,7 1,2
17 240 90 0,1 1,0 1,2 1,0 0,8 1,1 2,8 0,6 1,0
18 315 10 2,5 0,5 0,6 2,3 0,5 0,7 2,2 0,5 0,8
19 253 75 0,6 1,0 1,2 1,1 0,8 1,2 2,3 0,7 1,2
20 50 60 1,6 0,9 1,1 1,4 0,7 0,9 2,0 0,4 0,7
21 20 90 0,4 1,0 1,2 0,4 0,7 1,0 0,7 0,4 0,7
22 305 30 2,6 0,7 0,8 2,5 0,6 0,9 2,5 0,6 и
23 30 60 1,4 0,9 1,1 0,9 0,7 0,9 0,0 0,4 0,7
24 60 70 1,2 0,9 1,2 1,4 0,7 1,0 2,7 0,5 0,9
На поле шахты имелись крупные протяженные нарушения, например взброс №16 (по таблице), для которого касательные напряжения в плоскости сместителя в 2,3 раза превышали силу трения. Из-за давления воды нормальное сжатие крыльев уменьшилось, что привело к еще большему превышению сдвигающих напряжений над силами трения. В результате силы сцепления были преодолены и произошло внезапное смещение висячего крыла нарушения в сторону выработанного пространства. При смещении висячего крыла нарушения снизу вверх произошло выделение сейсмической энергии, поднятие почвы очистных выработок и разрушение нижних частей целиков, образование трещин на земной поверхности. Таким образом, возникновение горно-тектонического удара можно рассматривать как результат взаимодействия системы геодинамически активных блоков с технической системой (горным предприятием). В данном случае в результате встраивания технической системы в природную реализовались процессы активизации суффозионно-карстовых и геодинамических процессов, что привело к внезапному проскальзыванию геодинамически активных блоков по их границе в сторону выработанного пространства.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры России» на 2009-2013 годы, ГК № П1406.
------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Батугин А.С. Тектонофизическая модель горно-тектонических ударов с подвижками крыльев крупных тектонических нарушений// Г орный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск №1. 2010. С.252-264.
2. Плотников П.И. Защита окружающей среды при разработке рудных месторождений. М.: Наука, 1985 г. шгЛ
— Коротко об авторах ------------------------------------------------
Батугин А.С. - доктор технических наук, Центр геодинамики недр, Батугина И.М. - доктор технических наук, Центр геодинамики недр, Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
