CC BY
51
© Д.В. Яковлев, Т.И. Лазаревич, А.Н. Поляков, С.Ф. Панин, 2015
УДК 622.831:622.834:622.12:550.34
Д.В. Яковлев, Т.И. Лазаревич, А.Н. Поляков, С.Ф. Панин
ОПЫТ МОНИТОРИНГА ОПАСНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ И ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА БАЧАТСКОМ И АНЖЕРО-СУДЖЕНСКОМ СЕЙСМОГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПОЛИГОНАХ КУЗБАССА
Изложен опыт организации контроля за состоянием недр в зонах кризисного развития сейсмических и геодинамических процессов на Анжеро-Судженском и Бачатском сейсмогеодинамических полигонах Кузбасса.
Ключевые слова: геодинамический полигон, системы контроля, мониторинг состояния недр, геологическая среда, сейсмические явления.
Геодинамические полигоны являются самым эффективным инструментом контроля состояния геосреды в зонах развития негативных природных или техногенных процессов. Большинство из них имеют целевое назначение и создаются для решения конкретных задач безопасной жизнедеятельности территорий и обеспечения их промышленной безопасности. ВНИМИ имеет опыт создания и эксплуатации геодинамических полигонов для решения актуальных задач сейсмической, геодинамической и экологической безопасности, обеспечения условий безопасной эксплуатации ответственных инженерных сооружений, контроля за развитием кризисных негативных процессов вокруг действующих и затапливаемых шахт и охраны подрабатываемых объектов инфраструктуры [1].
Традиционно считавшиеся асейсмичными, территории Центрального и Северного Кузбасса в последние полтора десятилетия оказались в зоне развития локальных сейсмических процессов неизученной природы и «неклассических» форм проявления. Одними из первых в этом ряду были два
землетрясения, произошедшие в г. Анжеро-Судженске в 1997 г. в начальной стадии затопления шахты «Анжерская». В последующем произошли серии роевых, «потоковых» землетрясений в гг. Осинники (2005 г.), Полысаево (2007 г.) и на Бачатском угольном разрезе (2012-2013 гг.). Все эти землетрясения проявлялись непосредственно на горных отводах угольных шахт и разрезов и ощущались как достаточно крупные сейсмические события в примыкающих к ним шахтерских городах и рабочих поселках.
В статье представлены основные результаты осуществляемых ВНИМИ мониторинговых наблюдений на Анжеро-Судженском и Бачатском геодинамических полигонах (рис. 1, 2). Первый из них построен на территориях смежных затапливаемых шахт «Анжерская» и «Судженская», в зоне проявления произошедшей здесь ранее серии слабых и умеренных землетрясений (М=1,5ч2,5), второй - на территории новейшей сейсмической активизации недр в районе действующего угольного разреза «Бачатский». Произошедшее здесь в 2013 г. землетрясение имело магнитуду М=5,6 и оценивается как крупнейшее сейсмическое явление из всех ранее происходивших на горнодобывающих объектах России.
Оба полигона построены по инициативе Губернатора Кемеровской области для решения проблем безопасной угледобычи Кузбасса. Целевым назначением Анжеро-Судженского геодинамического полигона являлся контроль реакции вмещающей геологической среды на осуществлявшееся в 1998-2003 гг. массовое затопление шахт Кузбасса. Актуальными рисками затопления шахт, по мере их значимости, были признаны гидрогеологические (затопление территорий), деформационные (просадочные, блоковые и провалообразовательные процессы), газодинамические (инфильтрация рудничных газов в жилые и промышленные сооружения) и сейсмические (инициирование слабых техногенных землетрясений). В этой связи полигон был оснащен системами гидрогеологического, деформационного (геодезического), сейсмического, геофизического и газового контроля. Бачатский сейсмогеодинамический полигон был оборудован в июле 2013 г. в зоне новейшей сейсмической активизации территории Кузбасса и имел своей целью организацию контроля за развитием происходящих в этой зоне сейсмических и деформационных процессов для раскрытия их природы и механизма.
Рис. 1. Расположение систем сейсмологического, деформационного (маркшейдерско-геодезического) и гидрогеологического мониторинга на территории АнжероСудженского геодинамического полигона
Рис. 2. Расположение систем сейсмического, деформационного и геофизического мониторинга на территории Бачатского сейсмо-геодинамического полигона (Бачатский угольный разрез)
В соответствии с поставленной задачей полигон оснащен системами сейсмического, деформационного, геофизического и эманационного(радонового) мониторинга.
Конструктивное различие систем контроля и схем наблюдений было обусловлено различной функциональной направленностью полигонов. Приоритет техногенных или природных составляющих контролируемых рисков предопределил выбор определяющих областей осуществляемого сейсмо-деформационного контроля.
На Анжеро-Судженском полигоне зона покрытия сети деформационного контроля ограничена областью влияния подземных разработок шахт «Анжерская» и «Судженская», с достаточно сложной внутренней структурой горной среды. В рамках решае-
мой задачи, область эффективного контроля соответствовала области влияния затапливаемых выработанных пространств на развитие гидрогеологических, газодинамических и деформационных процессов.
На Бачатском полигоне определяющей областью контроля является более крупный участок недр, аккумулирующий энергию происходящих сейсмических явлений, поэтому территория деформационного контроля (сети вРБ-трилате-рации) простирается далеко за границы зоны влияния Бачат-ского разреза. Площадь покрытия сети вРБ-трилатерации охватывает представительную область воздействия внешних природных нагрузок на зону сейсмической активизации, находящуюся в окрестностях угольного разреза. Сеть спроектирована в ромбовидной конфигурации, длинная сторона которой вытянута в сторону господствующей горной системы — Салаирского Кряжа. Предполагается активное участие этой системы в генерации происходящих вблизи разреза сейсмо-деформационных процессов.
Входящие в конструкцию Бачатского полигона системы геофизического и радонового мониторинга позволяют контролировать фазы превышения критического уровня нагружения пород в очаговой зоне. На это указывает возрастание интенсивности естественного импульсного электромагнитного излучения (ИЭМИ), из подстилающей толщи пород, регистрируемое с помощью прибора «АНГЕЛ-М». По нарастанию эманации радона из глубинных участков геологической среды устанавливается положение геоди-намически активных разломов и регистрируются временные предвестники их активизации.
По материалам проведенных за 15-летний период мониторинговых наблюдений на Анжеро-Судженском геодинамическом полигоне установлены ранее неизученные закономерности развития гидрогеомеханических процессов, происходящих как в период затопления шахт, так и в последующий за ним «реабилитационный» период. В ходе наблюдений прослежены основные стадии развития кризисных процессов вокруг затапливаемых шахт, разработана рабочая модель развития гидро-геомеханических процессов, отражающая взаимообусловленный характер гидрогеологических и геомеханических рисков. Эти закономерности носят общий характер и являются типовыми для условий затапливаемых шахт Кузбасса.
По материалам наблюдения установлено:
— Преобладание воздымающих форм движений земной поверхности над затопленным выработанным пространством шахт в основном в форме блоковых наклонно-ступенчатых поднятий и взбросо-надвиговых деформаций.
— Развитие направленных горизонтальных смещений подработанной толщи пород в сторону выходов пластов под наносы (в сторону жилых застроек западной окраины г.Анжеро-Судженска). Максимальная величина этих смещений за 15-летний период наблюдений достигла 0,57 м, максимальные величины горизонтальных деформаций — 4 мм/м;
— Формирование зоны дискретных знакопеременных деформаций над выходами пластов под наносы на западной и северо-западной окраинах города. Несмотря на умеренные по абсолютной величине вертикальные смещения в этой зоне (120150 мм), дискретный характер этих деформаций наиболее опасен для эксплуатации зданий и сооружений. Размах амплитуд вертикальных движений земной поверхности на границе блоковых отдельностей достигает 50 мм;
— Преобладание на территории полигона СЗ-ЮВ направлений горизонтального сжатия подстилающей геологической среды в направлении, совпадающие с господствующим направлением действия сжимающих нагрузок в недрах Кузбасса по данным режимных вРБ-наблюдений. Подтверждена общая природа развития геодинамических нагрузок в недрах Кузбасса и их подчиненность единому сценарию развития геодинамических процессов, рождающихся в Алтае-Саянской зоне складчатости.
— Преобладание трех каналов миграции рудничных газов из вмещающей геологической среды - через пространство подземных выработок, через системы послойных нарушений, залегающих над отработанной свитой пластов (в пределах зоны водопроводящих трещин) и через зоны повышенной проницаемости вдоль разрывных нарушений. Установлены остаточные эффекты эманации газов из геологической среды в подземные строения и коммуникации, часть которых регистрировалась в подвальных помещениях и жилых строениях, с преобладанием газов СО2 и СН4. С 2007 г. концентрации просачивающихся сквозь грунты газов не превышали опасных норм, однако, в их
составе отмечено заметное повышение доли двуокиси углерода, что свидетельствует о происходящих в недрах окислительных процессах.
— Периодичность развития всех контролируемых на полигоне деформационных процессов, совпадающих с март-апрельскими и август-сентябрьскими (либо близкими к ним) фазами активизаций;
— Продолжающееся образование провалов. Наиболее крупный из последних провалов объемом 10 м3 зарегистрирован в 2008 г. на территории шахты «Анжерская». Всего за период наблюдений на территории г.Анжеро-Судженска и его окрестностей образовалось более 70 провалов, в том числе с травмированием жителей. Всего на территориях закрытых шахт Кузбасса число этих провалов превысило 4200;
— Возрастаниенеустойчивости гидрогеологического режима по мере повышения уровня грунтовых вод, предположительно вызванное наличием гидравлической связи между основными водоносными горизонтами. Водоупор между водоносными горизонтами в наибольшей степени нарушен в зоне выходов пластов под наносы. Скочкообразные колебания этих уровней достигали нескольких метров и часто сопровождались всплесками эманации газов из подстилающей толщи пород.
По материалам проведенных на Бачатском сейсмогеодина-мическом полигоне мониторинговых наблюдений за период его функционирования (с июля 2013 г. по настоящее время) получены предварительные данные о формах и характере развития сейсмо-деформационных процессов и влияния на сейсмическую активность ряда природных и техногенных факторов (рис. 2).
По материалам наблюдений установлено:
Основным источником сейсмических событий на Бачатском разрезе является локальная сейсмоактивная область ограниченного размера 5х5 км, расположенная в юго-западном борту разреза в эпицентральной зоне ранее произошедшего здесь (19.06.2013 г.) крупнейшего Бачатского землетрясения. За годовой период наблюдений в этой области зарегистрировано 5 землетрясений с магнитудой М> 2,0 и более 107 микроземлетрясений с магнитудой М< 2,0. Глубина очагов землетрясений достигала 3 км, микроземлетрясений - от 1,5 до 2 км
Все зарегистрированные в течение года сейсмические события, идентифицированы нами как природно-техноген-
ные микроземлетрясенияи землетрясения с энергетическим классом К от 3,4 до 8,7. Большинство из них, по нашей оценке, являлись афтершоками главного сейсмического толчка, произошедшего 19.06.2013 г. Природный характер этих явлений вызван наличием в подстилающей геологической среде источника природной концентрации нагрузок. Техногенной составляющей является провоцирующее влияние пространства карьерной выемки, понижающейся по мере развития горных работ в область повышенной концентрации природных напряжений.
Выявленная по материалам мониторинга сейсмоактивная зона непосредственно приурочена к Бачатскому глубинному разлому, простирающемуся на удалении 200-400 м от юго-западного борта разреза. К этому же разлому приурочены эпицентры двух предыдущих крупных землетрясений, произошедших на территории Бачатского угольного разреза 9.02.2012 и 5.03.2013. Геодинамическая активность Бачатского разлома, подтверждена материалами деформационного и геофизического мониторинга.
Движения и деформации вмещающей геологической среды носят дискретный характер. На территории полигона выделены три зоны относительно обособленного развития сейс-модеформационных процессов: юго-западная, прибортовая (окрестности разреза) и северо-восточная, отличающихся планом развития деформаций и геофизических полей.
Установлен цикличный характер проявления сейсмической активности с чередованием периодов повышенной и пониженной степени активности (близкой к сейсмическому затишью). Наиболее характерными периодами проявления цикличности являются октябрьская и ноябрьская 2013 г. циклы активизации. Чаще всего землетрясения происходят в ночные часы.
Отмечено отсутствие влияния промышленных взрывов на время и место проявления землетрясений. Ни одного случая провоцирующего влияния производимых промышленных взрывов на активизацию сейсмических явлений не установлено.
Ввиду высокой инерционности происходящих деформационных процессов вокруг очаговых зон землетрясений для выявления инициирующих эти землетрясения форм деформаций вмещающей геологической среды потребуется более длительный период наблюдений. В настоящее время наблюдения продолжаются.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Яковлев Д.В., Лазаревич Т.И., Поляков А.Н. Принципы построения систем мониторинга состояния геологической среды на комплексных сейсмо-геодинамических полигонах на горных предприятиях. // Уголь. — 2014. — № 10. — С. 7-12. Е2Э
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Яковлев Дмитрий Владимирович — доктор технических наук, профессор, генеральный директор, yakdv@hotmail.com
Лазаревич Тамара Ивановна — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, директор Кемеровского Представительства, ti_lazarevich@mail.ru, Поляков Александр Николаевич — кандидат технических наук, заведующий лабораторией геодинамики, poliakov_an@mail.ru,
Панин Сергей Федорович — заведующий лабораторией сейсмологических и геофизических исследований, panin6262@mail.ru, ОАО «ВНИМИ».
UDC 622.831:622.834:622.12:550.34
EXPERIENCE OF MONITORING OF DANGEROUS SEISMIC AND GEODYNAMIC PROCESSES ON BACHATSKY AND ANZHERO-SUDZHENSKY SEISMOGEODY-NAMIC POLYGONS IN KUZBASS
Yakovlev D. V., doctor of technical Sciences, Professor, General Director, yakdv@hotmail.com, OAO "research Institute", Russia,
Lazarevich T.I., candidate of technical Sciences, senior researcher, Director of the Kemerovo Representation, ti_lazarevich@mail.ru JSC "research Institute", Russia, Polyakov A.N., candidate of technical Sciences, head of laboratory-ry of geodynamics, poli-akov_an@mail.ru JSC "research Institute", Russia,
Panin S.F., head of the laboratory of seismological and geophysical-ical research, panin6262@mail.ru JSC "research Institute", Russia.
The experience of organisation of the depths conditions control in the seismic-crisis and geodynamic-crisis zones in Anzhero-Sudzhensky and Bachatsky geodynamic polygones in Kuzbass.
Key words: geodynamic polygon, systems of control, depths conditions monitoring, geologic environment, seismic manifestations.
REFERENCES
1. Jakovlev D.V., Lazarevich T.I., Poljakov A.N. Principy postroenija sistem monitoringa sostojanija geologicheskoj sredy na kompleksnyh sejsmo-geodinamicheskih poligonah na gornyh predprijatijah (Principles of construction monitoring of the geological environment in complex seismic geodynamic polygons in mining enterprises)// Ugol'. 2014. No 10. pp. 7-12.
