Исследование условий возникновения сейсмических активизаций на шахте Полысаевская АО «СУЭК-Кузбасс» Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 622.831. 550.348

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ АКТИВИЗАЦИЙ НА ШАХТЕ ПОЛЫСАЕВСКАЯ АО «СУЭК-КУЗБАСС» SEISMIC ACTIVATION CONDITIONS OCCURRENCE RESEARCH AT POLYSAIEVSKAIA MINE OF AO "SUEK-KUZBASS

Н. А. Артемова - главный горняк по газодинамическим явлениям АО «СУЭК - Кузбасс»

С. В. Цирель - главный научный сотрудник Национального минерально-сырьевого университета «Горный», д.т.н.

А. И. Пальцев - горный инженер, к.т.н.

N. A. Artemova - chief miner for gas-dynamic phenomena at AO "SUEK - Kuzbass", Leninsk-Kuznetsky, Russia

S. V. Tsyrel - doctor of technical sciences, chief researcher of St-Petersburg Mining University, St-Petersburg, Russia

A. I. Paltsev - candidate of technical sciences, mining engineer, Leninsk-Kuznetsky, Russia

На примере шахты «Полысаевская» компании АО «СУЭК-Кузбасс» выполнен комплексный анализ природных и техногенных факторов, оказывающих влияние на развитие сейсмических процессов. Показано, что к числу основных факторов, вызывающих сейсмические активизации при ведении горных работ, относятся возросшие глубины ведения горных работ до 400-500 м и увеличившиеся темпы отработки пластов; расположенные вблизи участков сейсмических активизаций крупные тектонические нарушения и активные геологические нарушения меньшего порядка, близость к замыканию разрывного нарушения; затопленные выработанные пространства; мощные слои крепких песчаников в основной кровле, способные накапливать упругую энергию; наличие участков резкого изменения мощности основной кровли. Проведен анализ влияния сейсмических процессов на безопасное ведение горных работ.

On AO "SUEK-Kuzbass" company"Polysaevskaya" mine example a comprehensive analysis of natural and anthropogenic factors influencing the development of seismic processes was made. It is shown that to the main factors influencing seismic activation during mining works can be attributed the following: mining work depth increase up to 400 - 500 m and coal seam taking speed increase; major tectonic faults and active geological faults of lower order located near areas of seismic activation, proximity to the end of disjunctive fault; flooded worked out areas; thick layers of hard sandstone in the main roof, capable of elastic energy accumulation; the presence of sharp main roof thickness change areas. Analyses of seismic processes effect on safe mining operations is fulfilled.

Ключевые слова: ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЯ, НАПРЯЖЕНО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВА, ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННАЯ СЕЙСМИЧНОСТЬ, ЛОКАЦИЯ СОБЫТИЙ

Key words: GEODYNAMIC MOVEMENTS, MASSIF STRAINED-DEFORMED STATE, NATURAL AND ANTHROPOGENIC SEISMICITY, LOCATION OF EVENTS

А. И. Пальцев

За последние десятилетия в Кузбассе, как и во многих горнодобывающих районах мира, резко возросла техногенная сейсмическая активность, причем образовались два типа зон сейсмичности: зоны, напрямую связанные с добычей угля, и зоны, расположенные поблизости, в пределах шахтных полей. Возрастание сейсмичности связано с рядом факторов: общим ростом геодинамической активности в большей части сейсмоактивных регионов, нарастанием

суммарных объемов извлеченной горной массы, увеличением глубины разработки, повышением темпов ведения горных работ, ведущим к отставанию релаксационных процессов от процессов перестройки напряжено-деформированного состояния горных массивов.

Наибольшей техногенной активностью отличаются участки, расположенные вблизи угольных предприятий в Кузбассе, в первую очередь городов Осинники и По-лысаево, поселка Бачатский и т.д. Террито-

29

рия Ленинского геолого-промышленного района Кузбасса, как показали события последних лет, превратилась в зону повышенной сейсмической активности, изучение которой оказалось жизненно необходимо, в виду интенсивных колебаний земной поверхности.

Одной из главных проблем, связанной с техногенной сейсмической активизацией, считается ограниченные возможности прогноза развития сейсмических процессов. На наш взгляд, существенной причиной неуспешности прогнозирования является использование весьма ограниченного круга данных, попытки прогноза сейсмических процессов только на основании однородных каталогов и записей сейсмособы-тий.

Региональными станциями наблюдений чаще всего происходит фиксация уже произошедшего сейсмического события, его классификация на сейсмособытия и события от промышленных взрывов. Совершенно не учитываются горно-геологические и горнотехнические условия отработки угольных пластов, не выполняется так называемый многофакторный анализ, учитывающий множество провоцирующих условий и факторов, влияющих на развитие сейсмических процессов в данном регионе. Остаются недостаточно изучены процессы, протекающие в угленосной толще в результате техногенной деятельности человека.

Пристальное наблюдение отдельных участков сейсмической активизации в Кузбассе началось с проведения экспериментальных работ Алтае-Саянским филиалом геофизической службы Сибирской академии наук (АСФ СО РАН) и наблюдений Кемеровским отделением ОАО ВНИМИ. Сейсмический мониторинг с помощью различных систем наблюдений на шахте Полысаевская (г. Полысаево) помог собрать обширный материал об активности отдельных сейсмических участков так называемых зон активизации (рис.1).

Анализ данных с сейсмостанций позволил выявить два типа зон техногенной сейсмичности: зоны, напрямую связанные с добычей угля (наведенная сейсмичность), и зоны, не связанные с добычей угля, расположенные за контуром ведения горных работ; определить глубину распространения и энергию сейсмических событий. По звонкам населения в ЕДДС была четко обозначена территория проявления сейсмических событий в виде сотрясений и толчков на поверхности (синий контур) (рис.2).

В целом для анализа и исследования причин сейсмической активизации на шахте Полысаевская была привлечена обширная сейсмологическая, горно-геологическая и горнотехническая информация; собраны и изучены материалы: сейсмические наблюдения, информация о региональной тектонике Ленинского участка, гео-

-----< й

Разрабатываемый пласт,

г е тахта

!Брее аскиИ, ПОЛЫС ЛЪОСкЛЯ

Толмач е ас* ни. Полыслсаслап

Н абб аул лсм с * ии, Олтябрьсная

Регистраторы

Сейсмические события

Кр

О «3

О 3

О *

О *

Глубина, им

С? 0■05 О О.4'1 © .-г

• т.

не огфедегтеиз

Разбиение по зонам

12 3 4

вб.^Е Н6,1вге Э6.2-Е 66.23- Е 86.га" 6 Вб.гб'Е аб.ЭВ- Е

Рисунок 1 - Карта эпицентров сейсмических событий, произошедших в г. Полысаево в июне-июле 2008г. Наблюдения СО РАН

30

Рисунок 2 - Карта звонков населения, поступивших в ЕДДС г. Полысаево 21 марта 2013г. и 19 апреля 2013 г.

логическая и маркшейдерская характеристика района активизации сейсмических процессов, информация о затопленных участках шахтного поля, сведения о порядке отработки очистных забоев пласта Бреевского и пласта Толмачевского, карты строения основной и непосредственной кровли этих пластов. Также изучены геодинами-чески активные зоны, данные отдела сейсмического мониторинга ГКУ КО «Агентство по защите населения и территории Кемеровской области» о промышленных взрывах и сейсмических событиях, включая реакции (звонки) населения в ЕДДС г. Полысаево на сейсмические колебания.

В результате выполненных исследований установлено, что к числу основных факторов, вызывающих сейсмические активизации при ведении горных работ на шахте Полысаевкая, относятся:

- Изменившиеся горно-технические условия отработки пластов с увеличением глубины ведения горных работ. До 2003 г. на шахте Полысаевская на обоих пластах (Бреев-ском и Толмачевском) отработка очистных забоев выполнялась без оставления межлавных целиков, по бесцеликовой схеме работы. И только с 2007 г., когда началась подработка пластом Толмачевским уже отработанного пласта Бре-евского, на котором были оставлены межлавные целики шириной 25-30 м, начали фиксироваться сейсмические события на поверхности в виде сотрясений и толчков в жилом массиве. Глубина ведения горных работ к этому времени достигла 400 м. Весьма вероятно, что сейсмособытия происходили и в течение 2003-2006 гг., но события не были зафиксированы на поверхности, т.к. проявлялись за границами населенного пункта и

влияния на поселок не оказывали.

Первоначально отрабатывался блок № 2, далее блок №1. Сотрясания домов в жилом массиве продолжались до конца отработки пласта Толмаческого в блоке №1, до конца 2013 г. И только с начала 2014 г., когда горные работы переместились в восточное крыло шахтного поля на вышележащий пласт Бреевский (блок № 3), звонки населения в ЕДДС ПГО прекратились. Весь год станция ГИТС регистрировала события низкого энергетического уровня без особых проявлений на поверхности.

- Расположение вблизи участков сейсмических активизаций крупных тектонических нарушений. Эксплуатация Ленинского угольного месторождения осложняется наличием сейсмоактивной зоны, приуроченной к геодинамически активным геологическим нарушениям: крупноамплитудным Кильчигизско-му (амплитуда до 300 м) и Южно-Журинскому (амплитуда до 150 м) региональным взбросам, которые совместно с горно-технологическими условиями ведения добычных работ создают геомеханические предпосылки для опасных геодинамических явлений в горном массиве.

- Близость к замыканию разрывного тектонического нарушения I-I, имеющего неразрывную связь с затопленным контуром вышележащего пласта Байкаимского. В юго-западной части шахтного поля горными работами пл. Надбайкаимского, Байкаимского и Бреев-ского подсечено нарушение I-I типа согласного взброса с амплитудой смещения до 25 м, которое простирается в юго-восточном направлении на территорию горного отвода шахты Октябрьская. Нарушение является апофизом Журинско-

31

го взброса.

В районе замыкания нарушения I-I (блок № 2) сейсмические события проявлялись наиболее активно, что свидетельствует о том, что эта область шахтного поля находится не только в зоне влияния крупного дизъюнктивного нарушения, но и в зоне высоких напряжений, связанных с локальным тектоническим нарушением. Горные работы в этой зоне провоцируют процесс разгрузки и перераспределения напряжений, что приводит к повышению уровня фоновой сейсмичности, наблюдавшейся при отработке блоков № 2 и №1 (2007-2013 гг.).

Однако при полной остановке добычи угля шахтой Полысаевской в период с августа 2013 г. по январь 2014 г. сейсмические события на данном участке шахтного поля (блок № 2) продолжались, причем в это время увеличилась энергия сейсмособытий, а глубина гипоцентров возросла до 1-5 км, что свидетельствует об усилении общей сейсмоактивности региона.

Характер изменения сейсмоактивности при остановке горных работ подтверждает выдвинутое в [1 предположение, что кумулятивное накопление объема извлеченной горной массы ведет к росту сейсмоактивности, но текущее ведение горных работ снижает вероятность крупных сейсмособытий, перераспределяя сброс накопленной упругой энергии между множеством мелких событий.

Наличие затопленных выработанных пространств вышележащего пласта Байкаимского. Детальное изучение шахтного поля указывает на то, что именно в районе происходящих наиболее активных сейсмических событий (район поселка шахты Октябрьская) рас-

полагается затопленный контур вышележащего пласта Байкаимского шахты Полысаевская.

На геологическом разрезе по 11 р.л. (рис.3) отчетливо видно, что затопленный контур в блоке № 3 имеет неразрывную связь с тектоническим нарушением 1-1, включая его замыкание. Конкретная роль затопленного контура в сейсмических процессах неочевидна, обводнение может способствовать прорастанию нарушения 1-1 при процессах сдвижения, сопровождающихся динамическими явлениями, также он может играть роль волновода (резонатора).

Наличие мощных слоев крепких песчаников в основной кровле отрабатываемого пласта, способных накапливать упругую энергию. Анализ прогнозных карт основной кровли Бреевского и Толмачевского пластов показывает (рис.4), что в зоне ведения очистных работ наблюдается резкое изменение мощности основной кровли. На пласте Бреевском зафиксирован один участок с резким понижением мощности основной кровли с 10 до 4-х метров, на пл. Толмачевском - три участка изменения мощности с 12-18 до 4-6-ти метров. Основная кровля пласта Бреевского представлена алевролитами (/=3-4), а пласта Толмачевского - мелкозернистым слоистым песчаником и характеризуется как труднообрушаемая (/=7-8).

Наличие участков резкого изменения мощности основной кровли. Отмечается, что линии уменьшения мощности основной кровли нижнего пласта Толмачевского располагаются с юга на север по падению пласта и практически совпадают с геодинамически активными зонами, проявленными на поверхности в виде логов (рис.4).

Рисунок 3 - Геологический разрез по 11 р. л., устанавливающий связь затопленного контура пласта Байкаимского с тектоническим нарушением 1-1, в зоне проявления сейсмических событий на поверхности (зона 5)

32

Карта прогноза устойчивости основной кровли пласта Бреевского шахты Полысавеская 3

Песчаники

ЛзеущдниЕ' и

Н/Байкэнгс кич, пг.Байкэимский

Лег на повер*насти

Ге один ам и чески атшкы« зоны

Участок уменьшения мощности о о ювноя кровли до 4 м.

Карта прогнем обрушаемости сонорной кровли пласта Толмачевского шахты Полысаевская

ч

|Блок №1|

■рУШенИ* |-||

■нъаткинсшй тл.Байлаимсгий

_ _Лага на поверхности

Г«одинамически активные аоиы

Учвстек уменьшения мощности основной кравши до 4-9 м.

Рисунок 4 - Прогнозная карта обрушаемости основной кровли пластов Бреевского (а) и Толмачевского (б)

шахты Полысаевская

На пласте Бреевский выделяется участок № 1 (уменьшения мощности основной кровли с 10 до 4 метров); на пласте Толмачевский - участки № 1, 2 и 3 (уменьшение мощности основной кровли с 12-18 до 4-8 метров).

Именно участки резкого изменения мощности основной кровли, представленной на пласте Толмачевский крепкими песчаниками, несут наибольшую геодинамическую опасность (рис.5).

Прочные песчаники основной кровли, склонные к зависанию, являются концентраторами упругой энергии, что неизбежно приводит к росту горного давления с последующей разгруз-

кой и высвобождением энергии в тектонически напряженном участке. Следует также отметить, что геодинамические активные зоны резкого изменения мощности основной кровли приблизительно совпадают с ЗПГД, созданными продавливающим действием целиков, оставленных на пласте Бреевский.

Таким образом, техногенные и природные причины геодинамических активизаций наиболее сильно проявлены на одних и тех же участках пласта.

На основании выполненных исследований, учитывающих многочисленные условия и факторы, влияющие на развитие сейсмических

Рисунок 5 - Вертикальный разрез по створу 2-х лав (Лава 18-08 и 18-29 - линия А-А на рис.4), устанавливающий взаимосвязь участков № 1, 2 пласта Толмачевского (уменьшения мощности основной кровли) с геодина-мически активными структурами, проявляющими себя на поверхности в виде логов

процессов, был выполнен прогноз сейсмически спокойной отработки участка пласта Бреевкого в блоке № 3 шахты Полысаевская и минимальное сейсмическое воздействие на жилой поселок, расположенный на подрабатываемой территории.

Основным, определяющим фактором прогноза спокойного развития сейсмических процессов в блоке № 3 является то, что горные работы на шахте Полысаевская переместились в 2014 г. из тектонически напряженного участка блока №2, осложненного замыканием нарушения I-I, в разгруженное лежачее крыло нарушения I-I. Тем самым в блоке № 3 исключается прямое влияние нарушения I-I затопленного контура вышележащего пласта. Уменьшилась глубина ведения горных работ, и мощность основной кровли пласта представлена слабыми породами выдержанной формы.

Состоятельность выдвинутого предположения полностью подтвердилась наблюдениями за сейсмической обстановкой при отработке пласта Бреевского лавой № 17-29 бис и №17-47

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

в блоке № 3 за 2014 г.-.2016 г. На данный период времени сейсмическая обстановка на данном участке ведения горных работ стабильна.

Проведенные исследования говорят о необходимости и важности комплексного изучения тектонических и техногенных факторов, влияющих на геодинамические процессы в шахтах как на стадии проектировании, так и при отработке шахтных полей, ведения мониторинга сейсмических, геодинамических и газодинамических явлений при подземной добыче угля в Кузбассе. Дальнейшие исследования должны выявить вклад каждого фактора, а также их сочетаний на характер и интенсивность природно-техноген-ных сейсмических активизаций в Кузбассе.

Эту функцию могут взять на себя научно-исследовательские институты созданием лаборатории по изучению многофакторных геодинамических процессов, что в дальнейшем позволит перейти к разработке рекомендаций и выработке практических решений по предотвращению сейсмических явлений на территориях угольных предприятий ещё на стадии проектирования.

1. Яковлев Д.В., Лазаревич Т.И, Цирель С.В. Генезис и развитие природно-техногенной сейсмоактивности Кузбасса // Уголь. 2013. № 10. С. 53-59.

2. Еманов А.Ф., Еманов А.А., Фатеев А.В. и др. Техногенная сейсмичность разрезов Кузбасса (Бачатское землетрясение 18 июня 2013 г) // ФТПРПИ. 2014. № 2. С. 41-46.

3. Еманов А.Ф., Еманов А.А., Лескова Е.В. и др. Сейсмический мониторинг района г. Осинники (Кемеровская область) // Землетрясения в России в 2005 году, 2007. C. 141-145.

4. 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.

5. Татевосян РЭ. Макросейсмические аспекты сейсмической опасности: автореф. дис. ... д-ра физ.-мат. наук. М.: Ин-т физики Земли, 2004. 56 с.

6. Азаров Н.Я., Яковлев Д.В. Сейсмоакустический метод прогноза горно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений. М.: Недра, 1988. 199 с.

7. Адушкин В.В., Опарин В.Н. От явления знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия - к волнам маятникового типа в напряженных геосредах. Ч. I // ФТПРПИ. 2012. № 2. С. 3-27.

REFERENCES

1. Yakovlev, D.V., Lazarevich, T.I., & Tsyrel, S.V. (2013). Genesis i razvitiie prirodno-tekhnogennoi seismoaktivnosti Kuzbassa [Genesis and development of natural and antropogenic seismic activity at Kuzbass]. Ugol.- Coal, 10, 53-59 [in Russian].

2. Yemanov, A.F., Yemanov, A.A., Fateev, A.V. et al. (2014). Tekhnogennaia seismichnost razrezov Kuzbassa (Bachatskoie zemletriaseniie 18 iiunia 2013 g.) [Antropogenic seismicity of Kuzbass open cast mines (Bachat earthquake on June 18, 2013)]. FTPRPI. - FTPRPI, 2, 41-46 [in Russian].

3. Yemanov, A.F., Yemanov, A.A., Leskova, Ye.V. et al. (2007). Seismicheskii monitoring raiona g. Osinniki (Kemerovskaia oblast) [Seismic monitoring of Osinniki district (Kemerovo region)]. Zemletriaseniia v Rossii v 2005 godu - Earthwuakes in Russia in 2005, p. 141-145 [in Russian].

4. Yakovlev, D.V., Lazarevich, T.I., & Poliakov A.N. (2014). Printsipy postroienia system monitoring sostoiania geologicheskoi sredy na kompleksnykh seismo-geodinamicheskikh poligonakh na gornykh predpriiatiakh [Principles of geological environment condition monitoring systems construction at complex seismic-geodynamic testing grounds of mining enterprises]. Ugol - Coal, 10, 7-12 [in Russian].

5. Tatevosian, R.E. (2004). Makroseismicheskiie aspekty seismicheskoi opasnosti [Macroseismic aspects of seismic danger]. Extended abstract of Doctor's thesis. Moscow [in Russian].

6. Azarov, N.Ya., & Yakovlev, D.V. (1988). Seismoakusticheskii metod prognoza gorno-geologicheskikh uslovii ekspluatatsii ugolnykh mestorozhdenii [Seismoacoustic method of mining geological condition forecasting of coal deposit operation]. Moscow: Nedra [in Russian]

7. Adushkin, V.V., & Oparin, V.N. (2012). Ot yavleniia znakoperemennoi reaktsii gornykh porod na dinamicheskiie vozdeistvia - k volnam maiatnikovogo tipa v napriazhennykh geosredakh [From the phenomenon of the rocks alternating reactions on the dynamic effects - to the pendulum type waves in the stressed geological environments]. FTPRPI - FTPRPI, 2, 3-27 [in Russian].

ь

Более 10 лет мы разрабатываем

---i шл

и производим приборы контроля параметров безопасности

Ш шШИшШт'

гШ. шШШ 7 ■ '/I

* ж™ £ ' L

&1шр шШ

на правах рекламы