CC BY
23
- © E.H. Камнев, B.H. Морозов,
В.Н. Татаринов, А.И. Каган, Л.И. Качур, 2014
УДК 621.039.7:504
Е.Н. Камнев, В.Н. Морозов, В.Н. Татаринов, А.И. Каган, Л.И. Качур
ГЕОДИНАМИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОТРАБОТКИ УРАНОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Изложены новые подходы к проектированию отработки урановых месторождений подземным способом, основанные на совершенствовании известного в горной практике метода геодинамического районирования. Развиваются новые подходы, позволяющие интегрировать в традиционную методологию геодинамического районирования энергетический критерий ранжирования геодинамической устойчивости структурно-тектонических блоков, на тех участках, где по результатам моделирования напряженно-деформированного состояния породного массива образуются зоны концентрации напряжений, а также использовать результаты инструментальных наблюдений за смешениями и деформациями земной поверхности на основе спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС.
Ключевые слова: геодинамическое районирование, напряженно-деформированное состояние, урановые месторождения, моделирование, тектонические разломы, вероятностный фактор, многолетнемерзлые породы, энергетические характеристики, концентрация напряжений, геофизическая среда.
При проектировании отработки урановых месторождений приходится учитывать два конкурирующих аспекта: необходимость повышения эффективности и рентабельности горных работ и соблюдение требований их технологической и экологической безопасности. Такие опасные явления как горные удары, выбросы газа, обрушение горных выработок, гидропрорывы, сдвижение земной поверхности над выработанным пространством часто приводят, с одной стороны к катастрофическим последствиям с гибелью горнорабочих, а с другой - к большим экономическим потерям, как непосредственно от самих явлений, так и затрат на их пред отвращение. Поэтому важнейшим звеном при проектировании отработки месторождений полезных ископаемых и строительстве подзем-
ных объектов различного назначения должен быть этап, который носит название - «геодинамическое районирование».
В основу концепции геодинамического районирования был положен метод, разработанный в конце 70-х гг. XX в. во ВНИМИ (И.М. Петухов, И.М. Батугина и др.) [1] для предупреждения горных ударов при разработке рудных месторождений. Его главная идея заключалась в необходимости изучения тектонических напряжений, которые в ряде случаев превышали напряжения, обусловленные весом налегающей толщи горных пород, а также учета блокового строения геологической среды. Было установлено, что горные удары оказались связанными с касательной составляющей напряжений, зависящей от блочности массива. Ориентировка действующих
напряжений и вид напряженного состояния блочного массива определяются элементами залегания и ориентировкой вектора смешения границ блоков соответствующего иерархического уровня, а геодинамическая опасность разломов по границам блоков и вну-триблоковых нарушений определяется их пространственным расположением относительно осей напряжений и выраженностью в современном рельефе. В этой связи возникла методологическая проблема, заключаюшаяся в необходимости прогноза механизма формирования горных ударов еше на стадии выбора места расположения шахтных стволов и проектирования систем отработки месторождений.
Позднее метод геодинамического районирования стал применяться не только для прогнозирования горных ударов, но и при проектировании газо- и нефтепроводов, транспортных объектов, гидростанций, подземных сооружений и рудников и т.д. Принципы геодинамического районирования были также заложены в ряд нормативных документов «Роснадзора», опре-деляюших геоэкологическую безопасность при выборе мест расположения радиационно опасных объектов.
Метод основывался на последовательном решении следующих задач.
1. Выявление блочной структуры строения верхней части земной коры в ее иерархической подчиненности с выделением тектонически напряженных и разгруженных зон на основе известного методологического принципа - «от общего к частному».
2. Оценка динамики взаимодействия блоков с определением параметров смешений и деформаций.
3. Оценка напряженного состояния блочного массива.
4. Ранжирование участков земной коры по степени напряженно-деформированного состояния и уровня геодинамической опасности.
5. Разработка мероприятий по снижению геодинамической опасности при проектировании отработки месторождений.
В одной из модификации способа геодинамического районирования [2] в структурных блоках измеряют величину максимального горизонтального сжатия в коренных породах и величину прочности пород на одноосное сжатие. Затем сравнивают полученные величины с теоретически рассчитанными и устанавливают тип участка земной коры с последующим определением активности разломов по геоморфологическим признакам и исследованию трешиноватости на обнажениях. Как видно этот подход основан на определении параметров (величины максимального горизонтального сжатия и амплитуды разломов), которые можно задать с очень большими погрешностями. Кроме этого, геоморфологические признаки характеризуют новейшие, но не современные, движения с длительным интервалом времени (десятки и сотни тысяч лет).
При геодинамическом районировании широко используются методы математического моделирования напряженно-деформированного состояния пород (НДС), позволяющие проанализировать возможные варианты распределения полей напряжений в зависимости от задаваемых граничных условий. Точность моделей зависит от соответствия исходных данных реальным горно-геологическим условиям. Обоснование граничных условий является достаточно сложной задачей, поэтому часто применяются приближенные методы моделирования, позволяющие получать решения за счет упрощения геометрии исследуемого объекта, структурной нарушен-ности, направления вектора главных напряжений и других параметров, распределение которых по площади и
изменение во времени носит вероятностный характер.
В этой связи представляется целесообразным и необходимым использовать в проектных решениях новые подходы к геодинамическому районированию территорий, где планируется отработка месторождений подземным способом [3-6]. Разрабатываемый нами новый подход мы условно назвали «кинематический метод геодинамического районирования1». Его основа - описание движения идеализированных тел без выявления причин их движения, с последующим переходом к деформациям и напряжениям. В нашем случае такими телами являются структурно-тектонические блоки, а следствием их горизонтальных движений - образование полей напряжений на границах этих блоков и внутри них. При моделировании задаются не абсолютные величины напряжений, которые трудно измерить из-за крайней неоднородности геологической среды и масштабного пространственно-временного эффекта, а инструментально подтвержденные скорости движений блоков, которые
мы можем определить в настоящее время на основе вРБ/Глонасс технологий с точностью до 2-3 мм/год на базах до 1000 км.
Отличие нашего подхода заключается в следующем.
1. В алгоритм моделирования НДС вводится вероятностный фактор, отражающий неоднозначность задания граничных условий в площадном аспекте (физико-механических свойств, анизотропии и блочности массива, направления действия главных напряжений, структурной нарушенности среды).
2. Учет эволюционного развития геологической среды (происходят подвижки блоков, активизируются разломы, изменяется гидрогеологический режим подземных вод и т.д.). При этом изменение первоначального поля напряжений на отдельных участках может быть весьма сильным. Учет «временного» фактора практически не ведется, хотя имеются два типа задач:
а) Прогноз устойчивости геологической среды на длительные интервалы времени в тысячи и десятки тысяч лет, например, при выборе мест подземной изоляции высокоактивных
Рис. 1. Блок-схема кинематического метода геодинамического районирования
1 Кинематика (греч. двигаться) - раздел механики, изучающий описание движения тел без рассмотрения причин движения.
радиоактивных отходов (BAO), когда требуется обеспечить сохранность естественных изоляционных на весь период радиобиологической опасности BAO (до 100 тыс. лет);
б) Прогноз устойчивости породных массивов на короткие периоды, не превышающие время отработки одного месторождения, составляющие в среднем интервал 30-50 лет.
3. И, наконец, третий аспект заключается в том, что на начальной стадии проектирования из-за неполноты исходных данных мы не можем дать ответа на вопрос - когда разрушится структурный блок, а отвечаем на другой вопрос - во сколько раз степень опасности разрушения для одних геодинамических блоков больше, чем для других. Для этого привлекаются энергетические характеристики, связанные с сопротивлением пород разрушению.
Общая схема кинематического метода геодинамического районирования приведена на рис. 1.
Проиллюстрировать необходимость такого подхода можно на примере Эльконского урановорудного поля (Республика Саха-Якутия), где планируется отрабатывать месторождение «Южное». B «Проектной документации...» [5] отработку рудных тел, до глубины 500 м, предлагалось вести тремя системами разработки: горизонтальные слои с породной закладкой; подэтажно-ще-левая система разработки; подэтаж-но-слоевая система разработки. A на глубине более 500 м - двумя системами разработки: подэтажно-камерная система разработки с комбинированной закладкой; горизонтальные слои с закладкой. Породы на месторождении «Южное», представлены кристаллическими сланцами, гранитизированными гнейсами, гранитоидами, метасомати-тами. Характерным для всех участков является широкое развитие тектонических нарушений и значительная мощность многолетнемерзлых пород.
При планировании ведения горных работ одновременно на трех этажах и нескольких эксплуатационных панелях, и одновременной работе на верхнем и нижнем каскадах, необходимо снизить негативное влияние очистных работ на напряженно-деформированное состояние массива, как по простиранию, так и по падению, то есть, исключить ведение горных работ в образующихся опасных по горным ударам зонах концентрации напряжений.
Граничные условия, то есть, ориентация главных усилий и величина среднего главного тектонического напряжения для Эльконского ураново-рудного поля, разумеется, не являются абсолютно достоверными. Ориентация действующих тектонических напряжений СВ-ЮЗ следует из палеотектониче-ской реконструкции района. Можно с уверенностью утверждать, что ошибка в определении направления действующих напряжений не превышает 20°. Были выполнены расчеты полей напряжений для двух вариантов:
а) тектонические силы действуют под углом 28° к оси X;
б) под углом 60° к оси X.
На рис. 2 и 3 показаны распределения интенсивности напряжений в районе Эльконского уранорудного поля для этих двух вариантов [4]. Видно, что они существенно отличаются друг от друга, следовательно, при геодинамическом районировании необходимо учитывать ошибку в задании направления действия главных тектонических усилий.
На рис. 2 стрелками показаны наиболее опасные направления возможной деструкции среды, которые были установлены на основе энергетического анализа НДС. При анализе концентраций напряжений, во-первых, вводятся адекватные критериальные характеристики степени опасности НДС (связанные с прочностью и отражающие склонность к разрушению пород).
Рис. 2. Распределение интенсивности напряжений в районе Эльконского урано-рудного поля (тектонические усилия ориентированы под углом 28° к оси X). Точками показано расположение наиболее крупных рудопроявлений
Рис. 3. Распределение интенсивности напряжений в районе Эльконского урано-рудного поля (тектонические усилия ориентированы под углом 60° к оси X)
Далее, определяются уровни опасности НДС, являющиеся сравнительными опенками склонности к разрушению различных блоков. И, наконеп, путем сопоставления значений вычисленных уровней опасности, проводится ранжирование блоков по убыванию уровней опасности. С практической точки зрения для нас представляют интерес лишь зоны наиболее опасных значений напряжений (принпип слабого звена). Эта методика, разработанная И.Ю. Колесниковым [7], может найти применение и при геодинамическом районировании других месторождений полезных ископаемых.
Трудность районирования состоит в том, что использование результатов макроспической прочности и механики разрушения (применимых для образпов горных пород) для территорий с линейными размерами порядка 5-10 км является очень грубым приближением. В данной ситуапии существенен вопрос о том, какие же параметры могут быть приняты в качестве «сигнализирующих» об опасности разрушения геологической среды.
Для такого масштаба используется комплексный параметр опенки конпентрапии напряжений, позволяющий проводить дифференпиапию
структурных блоков в зависимости от интенсивности напряжений [7]. Очевидно, что ввиду сложного характера распределения напряжений, следует руководствоваться только энергетическими соображениями. Известно, что для того, чтобы разрушение зародилось в деформируемом объекте и стало развиваться, требуется израсходовать определенную энергию, которая является накопленной в теле потенциальной энергией деформации. При этом на основании закона сохранения энергии должно происходить ее перераспределение, обусловленное неоднородностью структуры породного массива. Одновременно с концентрацией напряжений на одних участках происходит уменьшение напряжений на других (аналогия образования свода естественного равновесия вокруг горных выработок). В результате развитие разлома сопровождается неравномерным уменьшением потенциальной энергии деформации, которая будет превращаться в работу внутренних сил материала пород.
Очевидно, что для описания НДС следует привлекать такие энергетические параметры, которые связаны с сопротивлением материала структурного блока его возможному разрушению: накопленную потенциальную энергию
1. Батугина И.М., Петухов И.М. Геодинамическое районирование месторождений при проектировании и эксплуатации рудников. - М., 1988. - 166 с.
2. Петухов И.М., Батугина И.М., Батугин A.C., Петухов С.И., Шабаров А.Н. Способ геодинамического районирования участка земной коры. Патент 2065189. 1996.
3. Морозов В.Н., Белов C.B., Колесников М.Ю., Татаринов В.Н., Татаринова Т.А. Возможности геодинамического районирования при выборе мест подземной изоляции выгсокоактивнык радиоактивных отходов на примере Нижнеканского массива // Инженерная экология. -2008. - № 5. - С. 17-25.
4. Камнев Е.Н., Морозов В.Н., Белов C.B., Колесников И.Ю., Лукишов Б.Г.,
деформации (за счет которой и могут происходить нарушения сплошности среды); величину модуля градиента энергии (являющегося мерой наибольшего убывания энергии по направлению, противоположному направлению градиента энергии). Принимая во внимание принципиальное различие в сопротивлении объема материала его сдвигу и всестороннему растяжению-сжатию, необходимо добавить и девиа-торную составляющую энергии - потенциальную энергию формоизменения.
Таким образом, степень геодинамической опасности, обусловленная концентрацией напряжений, оценивается с помощью совокупности концентраций трех энергетических характеристик: потенциальной энергии деформации, модуля ее градиента и потенциальной энергии формоизменения. Ответ на поставленные вопрос - во сколько раз степень геодинамической опасности для одних структурных блоков больше (или меньше), чем для других, в итоге позволяет спроектировать оптимальное место закладки шахтных стволов, выбрать ориентацию и параметры подготовительных и очистных выработок и решать другие важные задачи, возникающие на начальной стадии проектирования отработки месторождений полезных ископаемых.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Татаринов В.Н. К разработке месторождений урана в зонах активного тектогенеза // Уран России. Сб. докладов научно-технического совещания. - М.: ФГУП «ЦНИИАТО-МИНФОРМ», 2008. - С. 16-25.
5. Разработка рекомендации по предотвращению горных ударов рудной зоны «Южная» Эльконского урановорудного района. Отчет о НИР. - СПб.: ВНИМИ, 2010. -104 с.
6. Морозов В.Н., Колесников И.Ю., Та-таринов В.Н. Моделирование уровней опасности напряженно-деформированного состояния в структурных блоках Нижнеканско-го гранитоидного массива (к выбору участков захоронения радиоактивных отходов) // Геоэкология. - 2011. - № 6. - С. 524-542. ЕИЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Камнев Евгений Николаевич - доктор геолого-минералогических наук, профессор, ученый секретарь, e-mail: [email protected], ОАО «Ведущий проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт промышленной технологии», Морозов Владислав Николаевич - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией, e-mail: [email protected], Геофизический центр Российской академии наук,
Татаринов Виктор Николаевич - доктор технических наук, главный научный сотрудник, e-mail: [email protected], Геофизический центр Российской академии наук, Каган Александр Иосифович - старший научный сотрудник, e-mail: [email protected], Геофизический центр Российской академии наук,
Качур Леонид Исаакович - доктор технических наук, профессор, эксперт, e-mail: [email protected], ОАО «Ведущий проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт промышленной технологии».
UDC 621.039.7:504
GEODYNAMIC ZONING WHEN DESIGNING THE MINING OF URANIUM DEPOSITS
Kamnev E.N., Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Professor, Scientific Secretary, e-mail: [email protected], JSC «Design-Prospecting and Scientific-Research Institute of Industrial Technology», Morozov V.N., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Laboratory, e-mail: [email protected], Geophysical Center of the Russian Academy of Sciences,
Tatarinov V.N., Doctor of Technical Sciences, Chief Researcher, e-mail: [email protected], Geophysical Center of the Russian Academy of Sciences, Kagan A.I., Senior Researcher, e-mail: [email protected], Geophysical Center of the Russian Academy of Sciences,
Kachur L.I., Doctor of Technical Sciences, Professor, Expert, e-mail: [email protected], JSC «Design-Prospecting and Scientific-Research Institute of Industrial Technology».
Present new approaches to designing mining uranium deposits by underground methods. They are based on the improvement of the well-known practice in the mining of geodynamic zoning.
Develop new approaches to integrate in the traditional methodology of geodynamic zoning energy criterion ranking geodynamic stability structural tectonic blocks in those areas where the results of simulation of the stress-strain state of rock mass stress concentration zones are formed, and to use the results of instrumental observations of displacements and deformations the earth's surface using satellite systems GPS / GLONASS.
Key words: geodynamic zoning, the stress-strain state, uranium deposits, modeling, tectonic faults, probability factor, permafrost, power characteristics, stress concentration, Geophysical Wednesday.
REFERENCES
1. Batugina I.M., Petuhov I.M. Geodinamicheskoe rajonirovanie mestorozhdenij pri proektirovanii i jek-spluatacii rudnikov (Geodynamic zoning of mineral deposits in the design and operation of mines), Moscow, 1988, 166 p.
2. Petuhov I.M., Batugina I.M., Batugin A.S., Petuhov S.I., Shabarov A.N. Patent 2065189. 1996.
3. Morozov V.N., Belov S.V., Kolesnikov M.Ju., Tatarinov V.N., Tatarinova T.A. Inzhenernaja jekologija. 2008, no 5, pp. 17-25.
4. Kamnev E.N., Morozov V.N., Belov S.V., Kolesnikov I.Ju., Lukishov B.G., Tatarinov V.N. Uran Rossii, Sbornik dokladov nauchno-tehnicheskogo soveshhanija, Moscow, FGUP «CNIIATOMINFORM», 2008, pp. 16-25.
5. Razrabotka rekomendacii po predotvrashheniju gornyh udarov rudnoj zony «Juzhnaja» Jel'konskogo uranovorudnogo rajona. Otchet o NIR (Development of recommendations on prevention of rock bursts ore zone «South» Elkon uranium ore district. Report on R & d), Saint-Petersburg, VNIMI, 2010, 104 p.
6. Morozov V.N., Kolesnikov I.Ju., Tatarinov V.N. Geojekologija, 2011, no 6, pp. 524-542.
