CC BY
15
ГЕОМЕХАНИКА
УДК 622.831 DOI 10.46689/2218-5194-2022-2-1-432-442
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПЛАНИРОВАНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ НА ШАХТЕ ИМ. В.И. ЛЕНИНА С УЧЕТОМ ПРИРОДНЫХ СЕЙСМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В.А. Волошин, А.Ю. Ермаков, Е.А. Разумов
Изложена методика ведения геодинамического районирования в зонах природной сейсмической активности при проектировании ведения горных работ на угольной шахте им. В.И. Ленина Ольжерасского месторождения. Выявлены опасные зоны пересечения глубинных разломов, определенных по космоснимкам. Определена степень влияния геодинамической активности в пределах шахтного поля. Проведено ранжирование в пределах шахты «Ленина» по трем зонам влияния - высокого, умеренного и эпизодического влияния геологических разломов на горные работы. На основании сейсмических наблюдений в зонах сейсмической активизаций установлена преобладающая роль природных напряжений на условия их подготовки и проявления. Предложены дополнительные организационно-технические мероприятия в случае зарегистрированных признаков активизации сейсмических процессов в пределах шахтного поля.
Ключевые слова: геодинамическое районирование, зоны пересечения глубинных разломов, степень влияния геодинамической активности, влияния геологических разломов на горные работы, организационно-технические мероприятия снижения рисков сейсмических процессов техногенного характера.
Отработка угольных месторождений Кузбасса, в последние годы, всё чаще сопровождается достаточно активным протеканием различных по интенсивности сейсмодинамических процессов. Переходу угольных шахт на более глубокие горизонты при возрастающей интенсификации производства сопутствуют проявления опорного горного давления (горные и горно-тектонические удары, отжим пород, угля, внезапные выбросы газа и т.п.).
С возрастанием глубин горных работ происходит естественное повышение сейсмических рисков на территории горных отводов шахт.
В первую очередь это коснулось шахт Южного Кузбасса, для территории которых характерны наведённая, техногенная сейсмичность и
проявление тектонической сейсмичности в исторический период и в настоящее время [1 - 3].
В последние годы на территории шахтных полей возникли новые формы сейсмической опасности, поражающие участки недр в непосредственной близости от осуществляемых горных разработок. Это "роевые" проявления серий слабых землетрясений вблизи действующих угольных шахт и разрезов, не связанные напрямую с горными работами. Природа этих явлений до настоящего времени не раскрыта [4].
Разработанные современные модели геомеханического поведения массивов горных пород не позволяют объяснить глубинные причины таких негативных явлений как «роевые» проявления низкоамплитудных землетрясений, являющиеся источниками социальной напряжённости и значительных экономических ущербов.
Однако по имеющемуся в Кузбассе опыту их регистрации уже очевидно, что причиной такого рода сейсмических проявлений является не только воздействие горных работ, но и развитие современных неотектонических процессов во вмещающей геологической среде и совпадение по времени резкой активизации природных сейсмических процессов в Кузбассе 2005 - 2020 гг. с сериями слабых землетрясений в тот же период времени, в гг. Осинники, Полысаево, Междуреченск только подтверждают данное предположение [1, 4, 5].
Приуроченность этих явлений к зонам влияния горных работ является следствием нарушения равновесного состояния недр в местах высокой концентрации природных напряжений.
В этой связи информация по сейсмологическому режиму на исследуемой территории (пространственно-временному распределению очагов сейсмических событий, динамике изменения их энергетических показателей), является актуальной как для выбора эффективных технологических схем ведения горных работ на угольных предприятиях, так и для разработки заблаговременных профилактических мероприятий, направленных на разгрузку отдельных участков угольных пластов с повышенной концентрацией напряжений (разгрузочное бурение, гидроотжим, камуфлетное взрывание и др.) [3 - 6].
Сейсмостанции "Таштагол" и "Залесово" в настоящее фиксируют "толчки" и техногенные землетрясения на территории Ольжерасского месторождения. Практически все горные удары, произошедшие ранее на поле шахты "Усинская" связаны с периодическим прорастанием отдельных фрагментов глубинных разломов, являющихся основными источниками потенциальной энергии пород месторождения, обуславливающие неотектонические процессы, происходящие в бассейне. Периодические подвижки массива по плоскостям сместителя (ширина разгруженной и пригруженной зоны вблизи сместителя изменяется от 20 до 100 м) были зафиксированы на основе инструментальных геофизических наблюдений. Вышеперечис-
ленные факты говорят о сложной геодинамической и тектонической обстановке на всех шахтах Ольжерасского месторождения. Ситуация требует детального изучения и анализа развития геодинамического процесса на данной территории и связи его с особенностями геологического строения региона и развитием мирового геодинамического процесса [4].
Важным фактором риска при производстве подземных горных работ является наличие или близкое расположение к участкам подземной добычи геодинамически активных разломов, характеризующихся наличием зон напряжённых горных пород, чередующихся с зонами ослабленных трещиноватых пород.
Под геодинамически активными разломами в геодинамике понимаются прорастающие в современный период развития разломы земной коры, отличающиеся более активным развитием деформаций геологической среды вдоль их створных направлений, высокой концентрацией напряжений и повышенной проницаемостью недр вдоль их простирания, развитием структурных изменений примыкающих к ним участков горного массива (малоамплитудных разрывов, флексур, послойных нарушений, раздувов и пережимов пластов и так далее) [6 - 8].
Методический подход к решению поставленной в данном заключении задачи состоял в последовательном решении следующих вопросов:
- трассировка геодинамически активных разломов в границах горного отвода поля шахты им. В.И. Ленина по комплексу выявленных морфологических и топометрических признаков;
- установление кинематических типов выявленных активных разломов и их связи с системами ранее картированных геологических нарушений;
- прогноз степени и характера представляемой геодинамической опасности активных нарушений в плане их влияния на условия отработки угольных пластов и принятых схемах вскрытия и планирования горных работ на шахте;
- выявление геодинамически активных структур на основе многофакторного геолого-геодинамического анализа строения горного массива.
Прорастающие разломы представляют собой природные тектонические процессы, на которые, тем не менее, влияет и техногенная деятельность человека [9].
По природе своего образования все геодинамически активные разломы в реальной геологической среде находятся в соподчиненном положении. Они ранжируются по масштабному признаку на структуры различного иерархического уровня, при этом каждый из разломов находится в иерархической подчиненности от разломов более крупного ранга (рис. 1).
Более активными движениями обычно отличаются разломы самых крупных масштабных рангов, однако максимальная концентрация напряжений чаще приурочена к разломам среднего или самого мелкого мас-
штабного ранга (более "молодым" в ряду иерархической подчиненности) [5 - 8]. При производстве подземных горных работ геодинамически активные разломы являются источниками повышенных рисков возникновения аварий, горных и горно-тектонических ударов, внезапных выбросов, внезапных обрушений кровли, и других опасных событий и явлений геодинамической природы.
Рис. 1. Основные системы глубинных разломов выявленных
по космоснимкам [4]
Коренные породы в этих зонах легче поддаются эрозионно-денудационному разрушению, а сами зоны дробления служат каналами миграции подземных и грунтовых вод, что через растительность предопределяет их аномальный узкополосовой облик в естественном ландшафте местности на аэрофотоснимках и космоснимках.
Геодинамически активно проявляющиеся дуговые сбросы и взбросы распознаются по относительному гипсометрическому положению разделённых ими геодинамических блоков на фронтальной части дуги. Сбросы обнаруживаются по относительно пониженному положению геодинамического блока, располагающегося внутри дуги, а взбросы, наоборот, отличаются повышенным положением такого блока. При этом, дуговые сбросы и взбросы на краях дуги естественным образом постепенно превращаются в сбросо-сдвиги или, соответственно, взбросо-сдвиги противоположного, лево- и правостороннего характера на разных флангах такого нарушения.
Геодинамические особенности района шахты им. В.И. Ленина будут определяться его положением относительно основных трёх разломов
Новокузнецко-Междуреченского, Ташелгино-Темирского и Томского, а также влиянием крупнейшего регионального разлома Мартайгинского.
Наибольшее влияние на геодинамическую активность, в пределах шахтного поля, будет оказывать Новокузнецко-Междуреченский (Тувинский) разлом, проходящий в непосредственной близости от границ шахтного поля, во-вторых, Ташелгино-Темирский, проходящий в нескольких километрах от шахтного поля, и в наименьшей степени - разлом Томский. Характер и площадное распространение сейсмособытий, в районе города Междуреческа, как за последние годы, так и исторических доказывает наличие именно трёх основных систем глубинных разломов. Наблюдаемая в последнее время, в данном районе, наведённая сейсмическая активность только подтверждает данное предположение [4].
Разлом определяется не только сместителем, но главное, параметрами и распределением сопутствующих разрывов и трещин, возникающих в его крыльях в процессе перемещения разъединённых блоков. Исследования деформаций в крыльях разломов дают основания для выделения третьей оси, которая нормальна к сместителю и определяет ширину зоны развития приразломного парагенеза разрывов и трещин более мелких рангов. Наличие трёх взаимно перпендикулярных осей позволяют представить модель разрывного нарушения в виде эллипсоида. Две оси эллипсоида являются осями сместителя, а третья ось (В) физически выражается шириной зоны содизъюнктивного изменения горных пород в крыльях разрыва. Протяжённость этой оси устанавливается менее чётко, чем протяжённости осей сместителя (рис. 2).
По относительным размерам ось В меньше короткой оси сместителя Н.
В=10Я
ь
ь
Рис. 2. Эллипсоид смещения - объёмная модель разрывного
нарушения [5]
Модель разрыва по аналогии с классической фигурой эллипсоида вращения принято называть эллипсоидом смещения.
Поверхность сместителя делит эллипсоид смещения на две равные части. В каждой из них, в направлении перемещения от центра сместителя,
массив горных пород уплотняется за счёт уменьшения пористости и появления сколовых трещин взбросового типа с перекрытием, а в противоположном направлении, за счёт развития систем отрывов и трещин сбросового типа, с зиянием происходит дилатация массива. В противолежащем крыле разрыва картина обратная. Объём и границы зон приразломного растяжения и сжатия в первую очередь определяются из соотношения
КВ:И:Ь=1:10:20:60.
Из выражения 6 следует, что протяжённость разрыва по длинной оси (Ь) (по простиранию или падению, в зависимости от того, представлен ли он сбросом или сдвигом) всегда втрое больше, чем по короткой (Н), а ширина (В) - в шесть раз меньше Ь. По отношению же к амплитуде перемещения (Я) ширина зоны влияния разлома (В) на порядок больше. Вследствие закономерного характера хрупкой деформации земной коры это соотношение для одиночных разрывов разных типов и порядков является выдержанным. Любое, даже самое крупное разрывное нарушение является конечным. Выдержанность соотношения составляет главный методический ключ при моделировании и реконструкции объёмной системы разрывного нарушения, понимаемой как результат геомеханического процесса.
Шахтное поле находится между тремя крупными глубинными разломами, трассируемыми по руслам 3 рек, с юга - по р. Усе (№ 1), с запада - по р. Чебалсу (№ 6), с востока - по р. Ольжерас (№ 5). Шахтное поле пересекают ещё 3 разлома низшего порядка данного направления, из которых наибольшую активность может иметь № 8 [2 - 4].
По степени влияния выделенных геодинамически активных структур все шахтное поле можно условно разделить на три зоны - высокого, умеренного и эпизодического влияния геологических разломов. Территориально их можно отнести к узлам пересечения наиболее активных зон и их соответственно примыканиям. Все геодинамически активные структуры являются прогнозными и их расположение, а также характер влияния на условия ведения подготовительных и очистных работ уточняются в процессе непосредственного ведения горных работ в указанных зонах.
Для своевременного определения активизации глубинных разломов и их систем, в пределах шахтного поля необходима организация сейсмического мониторинга до начала ведения горных работ. Схема расстановки поверхностных сейсмодатчиков и применяемая аппаратура должны определяться отдельным проектом.
Важнейшая роль в геодинамических процессах на шахте им. В.И. Ленина, участков "Граничный" и "Поле шахты "Ольжерасская" принадлежит дизъюнктивным нарушениям.
Они представлены двумя системами пологопадающих несогласных надвигов и сопутствующим им целому ряду более мелких нарушений. Для
понимания роли данных геологических структур в геодинамическом процессе и определения границ влияния отстраивается объёмная модель разрывного нарушения (рис. 3).
Рис. 3. Схема глубинных разломов шахты им. В.И. Ленина, отстроенных по космоснимкам [4]
Очевидно, что разнонаправленные и разномасштабные системы складчатости пластов в пределах Ольжерасского месторождения, трещи-новатости и дизъюнктивной нарушенности формируются в различных геологических и геодинамических условиях.
Нанесение всех линий геодинамически активных разломов, осей пликативных структур, дизъюнктивов и зон трещиноватости на планы горных работ большая и сложная работа, но это в дальнейшем позволит создать основу планирования высокопроизводительной и безопасной отработки угольных пластов.
На основании сейсмических наблюдений в зонах сейсмической активизаций, происходящих вблизи действующих угольных шахт, установлена преобладающая роль природных напряжений на условия их подготовки и проявления. Осуществляемые шахтами в границах Олжерасского
месторождения подземные горные работы оказывают лишь провоцирующее влияние на проявление подземных толчков в зонах нарушения равновесного состояния геологической среды, но не являются их первопричиной. В этой связи, любые изменения технологических параметров подземной добычи могут оказывать лишь регулирующее влияние на сценарий развития сейсмических процессов, способствуя либо быстрой (спонтанной), либо медленной (криповой) реализации накопленного в недрах сейсмического потенциала. Провоцирующее влияние подземной добычи на проявления подземных толчков ожидается глубин ведения горных работ 400...450 м.
В случае зарегистрированных признаков активизации сейсмических процессов непосредственно на поле шахты им. В.И. Ленина предполагается применение следующих дополнительных мер, включая организационные [11]:
- оповещать диспетчерскую службу шахты обо всех случаях проявления сейсмических событий (подземного гула, глубинных толчков, самопроизвольного вибрирования массива, зарегистрированных на рабочих местах;
- ограничивать скорости движения очистных забоев до 4-5 м в смену и время нахождения людей в незакреплённой призабойной зоне;
- принимать дополнительные меры по усилению крепи подготовительных и очистных выработок в рабочих зонах, тщательной забутовке пустот закрепленного пространства, ликвидации зависаний кровли, несущих риск самообрушений;
- обеспечивать ежесменные наблюдения за признаками нарастающего горного давления (стреляния пород, щелчков, тресков, отжимов угля из груди забоя, вновь появившихся ("свежих") вывалов, обрушений пород кровли и др.) всеми службами горного надзора;
- обеспечивать контроль за признаками нестабильного состава рудничной атмосферы и проявлений случаев повышенных газовыделений;
- контролировать режимы и объёмы водопритоков в подземные выработки и признаки их нарастания в сейсмоопасный период, особенно в опасных зонах (вдоль изолирующих перемычек, барьерных целиков, скважин, нарушений кровли);
- обеспечивать средства организованной доставки (транспортировки) людей на рабочие места и к стволу, максимально ограничивая неорганизованное передвижение людей по шахте;
- обеспечивать бесперебойно работающими средствами связи все рабочие зоны и участки подземных работ [9, 10].
Для безаварийной отработки угольных пластов шахты им. В.И. Ленина необходимо вести дальнейшее детальное изучение геологического и геодинамического строения горного массива, с использованием всего объёма, имеющегося фактического геологического материала и маркшейдер-
ских замеров в горных выработках, на основе полного многофакторного геолого-геодинамического анализа шахтного поля и данных регионального и локального сейсмомониторинга.
В случае возникновения сейсмических явлений на территории горного отвода, ощущавшихся на земной поверхности или в подземных выработках, рассмотреть вопрос установки системы инструментального сейсмологического мониторинга, как элемента многофункциональной системы безопасности, при достижении глубин разработки более 350 м, с размещением сейсморегистрирующих элементов на земной поверхности или под землёй. Рекомендуется оснастить шахту системой контроля состояния горного массива системой подземного горного сейсмического мониторинга GITS (производства ВНИМИ) с привязкой ее элементов по месту установки непосредственно к зонам развития негативных геомеханических и геодинамических процессов. Разработанные варианты размещения системы деформационных датчиков в составе системы GITS на участках с прогнозируемым максимальным уровнем концентрации опорных напряжений в предохранительных целиках, а также в опасной зоне на выходе пластов под наносы [1, 11].
Список литературы
1. Геологический отчёт с подсчётом запасов угля по участку "Поле шахты им. В.И. Ленина" Ольжерасского каменноугольного месторождения, расположенного в Томь-Усинском геолого-экономическом районе Кузбасса, по состоянию на 01.01.2012. ООО "Мечел-Инжениринг" ЮжноКузбасский филиал, г. Междуреченск, 2012.
2. Геодинамическое районирование Южного Кузбасса / Т.И. Лазаревич [и др.]. Кемерово: Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ. Кемеровское Представительство, 2006. 181 с
3. Заключение по уточнению критической глубины проявления внезапных выбросов угля и газа при разработке пласта IV-V в пределах участка поля ОАО "Шахта им. В.И. Ленина". НЦ ВостНИИ, 2001 г.
4. Геодинамическое районирование недр: Методические указания. Л., 1990. 129 с. (М-во угольной промсти СССР. Всесоюзн. ордена Трудового Красного Знамени НИИ горн. геомех. и маркшейд. дела, Кузбасский политехнический ин-т).
5. Сурунов Н.Ф. Прогноз влияния геодинамической активности блоковых структур на напряжённо-деформированное состояние массивов и метановыделение из угольных пластов: дис. ... канд. техн. наук. Кемерово, 2006.
6. Геолого-промышленная карта Кузнецкого бассейна. Масштаб 1:100000 / под ред. А.З. Юзвицкого. Новосибирск, СНИИГГ и МС. 2000.
7. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород // ИМГУ, 2004.
8. Сейсмический мониторинг СФО. Оперативное уведомление о сейсмической активности в Сибирском Федеральном Округе.
9. Seryakov V.M., Rib S.V., Fryanov V.N. Stress State of a Coal Pillar in Fully Mechanized Longwall Mining in Dislocation Zone //Journal of Mining Science. 2017. № 53(6). С. 1001-1008.
10. Обоснование параметров подготовки выемочных участков при отработке свит пластов длинными забоями / О.И. Казанин, А.А. Сидоренко, А.Ю. Ермаков, О.В. Ванякин // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2014. № 3. С. 3-12.
11. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по прогнозу динамических явлений и мониторингу массива горных пород при отработке угольных месторождений». Приказ Ростехнадзора от 15.08.2016 №339. http://www.pravo.gov.ru, 08.11.2016 за № 0001201611080014.
Волошин Владимир Анатольевич, канд. техн. наук, voloshinva1966@,gmail. com Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,
Ермаков Анатолий Юрьевич, д-р техн. наук, проф., aermakov779@gmail.com, Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,
Разумов Евгений Анатольевич, директор, vnimia inhox^u, Россия, Прокопьевск, Сибирский филиал АО «ВНИМИ»
GEOMECHANICAL SUBSTANTIATION OF MINING PLANNING AT LENINA MINE TAKING INTO ACCOUNT NATURAL SEISMODYNAMIC PROCESSES
V.A. Voloshin, A.Yu. Ermakov, E.A. Razumov
The technique of conducting geodynamic zoning in zones of natural seismic activity in the design of mining operations at the coal mine "Im. IN AND. Lenin" Olzherasskoe field. Dangerous zones of intersection of deep faults identified from satellite images have been identified. The degree of influence of geodynamic activity within the mine field is determined. The ranking within the limits of the Lenin mine was carried out according to three zones of influence - high, moderate and episodic influence of geological faults on mining operations. Based on seismic observations in the zones of seismic activation, the predominant role of natural stresses on the conditions of their preparation and manifestation was established. Additional organizational and technical measures are proposed in case of registered signs of activation of seismic processes within the mine field.
Key words: geodynamic zoning, zones of intersection of deep faults, the degree of influence of geodynamic activity, the influence of geological faults on mining, organizational and technical measures to reduce the risks of man-made seismic processes.
Voloshin Vladimir Anatolyevich, candidate of technical sciences, volosh-inva1966@gmail.com, Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University,
Ermakov Anatoly Yurievich, doctor of engineering sciences, professor, aerma-kov779@gmail.com, Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University,
Razumov Evgeny Anatolyevich, director, vnimi@inbox.ru, Russia, Prokopyevsk, Siberian branch of «VNIMI» JSC
Reference
1. Geological report with the calculation of coal reserves for the site "Field of the V.I. Lenin Mine" of the Olzherassky coal deposit located in the Tom-Usinsk geological and economic district of Kuzbass, as of 01.01.2012. Mechel-Engineering LLC Yuzhno-Kuzbass branch, Mezhdurechensk, 2012.
2. Geodynamic zoning of Southern Kuzbass / T.I. Lazarevich [et al.]. Kemerovo: Research Institute of Mining Geomechanics and Surveying - Intersectoral Research Center of VNIMI. Kemerovo Representative Office, 2006. 181 p
3. Conclusion on clarifying the critical depth of the manifestation of sudden emissions of coal and gas during the development of the IV-V formation within the field site of the V.I. Lenin Mine OJSC. NC VostNII, 2001
4. Geodynamic zoning of the subsoil: Methodological guidelines. L., 1990. 129 p. (M-in the coal industry of the USSR. All-Union. Order of the Red Banner of Labor of the Gorn Research Institute. geomech. and a mine survey. affairs, Kuzbass Polytechnic Institute).
5. Surunov N.F. Forecast of the influence of geodynamic activity of block structures on the stress-strain state of massifs and methane release from coal seams: dis. ... Candidate of Technical Sciences Kuzbass State Technical University. Kemerovo, 2006
6. Geological and industrial map of the Kuznetsk basin. Scale 1:100000 / edited by A.Z. Yuzvitsky. Novosibirsk, SNIGG and MS. 2000.
7. Kuzmin Yu.O., Zhukov V.S. Modern geodynamics and variations of physical properties of rocks // IMSU, 2004.
8. Seismic monitoring of the SFO. Prompt notification of seismic activity in the Siberian Federal District.
9. Seryakov V.M., Rib S.V., Fryanov V.N. Stress State of a Coal Pillar in Fully Mechanized Longwall Mining in Dislocation Zone //Journal of Mining Science. 2017. No. 53(6). pp. 1001-1008.
10. Justification of the parameters of the preparation of excavation sites during the development of formations with long faces / O.I. Kazanin, A.A. Sidorenko, A.Yu. Ermakov, O.V. Vanyakin // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2014. No. 3. pp. 3-12.
11. Federal norms and rules in the field of industrial safety "Instructions for the prediction of dynamic phenomena and monitoring of rock mass during mining of coal deposits". Rostechnadzor Order No. 339 dated 15.08.2016. http://www.pravo.gov.ru , 08.11.2016 for No. 0001201611080014.
