CC BY
18
УДК 622.33
А.Н. Соловиикий
ИЗУЧЕНИЕ СОСТОЯНИЯ РЕГИОНАЛЬНОГО БЛОЧНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ПОВТОРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ НА ГДП
Семинар № 11
Выполненный анализ изученности изменения во времени состояния регионального блочного массива горных пород по результатам повторных инструментальных наблюдений на ГДП позволяет сделать следующие выводы [1]:
1. Количественные характеристики в большинстве случаев характеризуют раздельное определение горизонтальных и вертикальных движений земной коры (поверхности) и являются кинематическими, нет единого подхода проведения исследований.
2. Важная роль уделяется периоду между эпохами повторных наблюдений Т, т. к. установлено, что современные движения земной коры подразделяются на медленные (вековые) и быстрые.
3. Велик диапазон расстояний между пунктами на ГДП. Расстояния между пунктами изменяются от 0,5 -2 км до 10-30 км, что свидетельствует о разномасштабности проводимых исследований.
4. Высокая мобильность развития технологий проведения измерений на ГДП за короткий период, повышение их точности и оперативности.
5. Перспективность изучения закономерностей изменений во времени деформаций блочного массива горных пород на основе высокоточ-
ной измерительной и вычислительной техники, включая спутниковые технологии, которые активно используются особенно в Японии, США и Китае. Для обеспечения развития спутниковых методов, в нашей стране создана космическая геодезическая сеть из 26 пунктов, определенных комплексом ГеоИК, и доплеровская геодезическая сеть из 140 пунктов по наблюдениям спутниковой навигационной системы ТРАНЗИТ. Для геодинамических исследований используются американская спутниковая навигационная система GPS и отечественная Глонасс.
6. Значимость результатов повторных наблюдений на ГДП имеет явный характер в случае, если они носят не эпизодический характер.
7. Техногенные движения земной коры характеризуются большими величинами амплитуд и скоростей, чем аналогичные движения, обусловленные геодинамическими процессами.
8. Установлены зависимости масштабов современных вертикальных движений земной поверхности над нефтяными и газовыми месторождениями от мощности пластов. Максимальные амплитуды современных вертикальных движений земной поверхности на Верхнекамских нефтяных месторождениях за период 20летней эксплуатации составили 40 мм,
а зонах разломов их величины выше в
1,5—2,0 раза.
9. Установлены зависимости увеличения сейсмоактивности в результате добычи углеводородов. Усиление сейсмической активности недр происходит при отработке 40-50 % запасов, что связано с изменением начальных пластовых давлений. На сейсмическую активность влияние оказывают наличие разломов. Ещё в 20-тые годы зафиксирована серия землетрясений на нефтяном месторождении Гус-крик в США. На газовом месторождении Лак (Франция) с 1967 по 1989 гг. зарегистрировано свыше тысячи землетрясений, а в Италии добыча газа на месторождении Кавьяга явилась причиной землетрясения с магнитудой 5,5. С большей магнитудой (7 баллов) зарегистрированы три землетрясения в районе газового месторождения Газли, повышение сейсмической активности характерно и для старых нефтедобывающих районов, например: СтароГрозненское, Ромашкинское и Долин-ское месторождения.
10. Экспериментальным подтверждением зависимостей изменений силы тяжести от нарушений термодинамических условий в земной коре являются результаты повторных совместных гравиметрических и газометрических наблюдений на Демидовском и Суводском ГДП в Волгоградской области.
11. Установлено, что активные разломы контролируют зоны нефтега-зонакопления.
12. Установлено, что при освоении любого месторождения имеется предел, при достижении которого влияние техногенных процессов на напряженное состояние массива горных пород становиться доминирующим. При этом в процесс деформирования вовлекаются новые удален-
ные участки от месторождения, таким образом, происходит влияние блочного строения земной коры, которое заканчивается скачкообразным выравниванием напряжений с выделением сейсмической энергии.
На основе выполненного анализа для изучения изменения во времени состояния регионального блочного массива горных пород по результатам инструментальных наблюдений на ГДП автором было предложено решение следующих задач:
• определение единых количественных характеристик с учетом его строения и кинематики блоков земной коры, гравитационного и теплого полей.
• проведение анализа и прогноза.
I. Для решения данных задач повторные инструментальные наблюдения должны отвечать следующим требованиям:
- обеспечивать точность, необходимую для выявления малых скоростей деформаций земной коры (1 • 10-4 -1-10-6 в год), не приводящих к проявлению геодинамических явлений;
- комплексно определять вертикальные и горизонтальные движения блоков земной коры и соответствующие изменения гравитационного и теплового полей.
II. Учет геометрии и иерархии строения регионального блочного массива горных пород обоснован на основе анализа их классификации, а учет кинематики блоков, гравитационного и теплового полей - на физической модели. Учёт иерархии регионального блочного массива горных пород заключается в выборе соответствующего блока земной коры технологическому.
Выбор данного блока земной коры 1 позволяет описать связь иерархии полей напряжений, т.е. взаимодейст-
вие подсистемы “блок” в системе “блочный массив”.
Динамическая модель определения напряжений ст і [1] (деформаций е і [1])
блока земной коры і при проявлении геодинамических процессов, которые инструментально регистрируются на ГДП (изменения температуры Т і [1-10 ], движения Д і [1-10 ] и перераспределения плотности масс П і [1-10 ]), имеет вид:
Єі[1] = -ф(е)Єі[10] + р1(е)Т[1 - 10] +
+р2(е)Д[1 - 10] + Рз(е)Ц[1 - 10]
ст і [1]= -ф(ст)ст г [1 0 ]+в ! (ст)Т г [1-1 0 ]+ +в 2 (ст)Д і [1-1 0 ] +Р 3 (ст)П і [1-10 ], (1)
где е і [10 ] - компонентні деформаций блока і в начальную эпоху; ф(е), ф(ст) -коэффициенты динамики; ст і [1 0 ] -компоненты напряжений блока і в начальную эпоху; в і (е), в і (ст) - коэффициенты влияния величин параметров геодинамических процессов Т і [1-10 ],
Д і [1-10] и п і [1-10]-
Динамическая модель определения изменения во времени энергии Е і [1]
блока і (выход) при проявлении геодинамических процессов, характеризующихся количественными характеристиками этих проявлений Т і [1-10 ],
Д і [1-10 ] и П і [1-10 ] (вход), имеет вид:
Е і [1]=-ф(Е)Е і [1 0 ]+в і (Е)Т і [1-10]+в 2 (Е)Д і [1-10 ]+в 3 (Е)Ї і [1-10 ]- (2) Значимость представлений (1-2) заключается, прежде всего, в переходе к единым характеристикам изменения во времени состояния регионального блочного массива горных пород.
Другим положительным фактором является преодоление несопоставимости разнородной информации, получаемой на ГДП наземными и космическими средствами, на основе которых определяется связь вектора изменений координат пунктов АХ[1-10 ] с
тензором второго ранга Е[1-10 ] [2]:
Х[1 о ]Е[1-1 о ] = -АХ[1-1 о ], (3)
где Х[10 ] - координаты пунктов ГДП.
В общем виде решение системы линейных уравнений (3) равно
Е[1-1 о ]=Х[1 о ]-1 АХ[1-1 о ], (4)
где Х[1 о ]-1 - обратная матрица Х[1 о ].
Полученные величины тензора второго ранга (4) будут отнесены к центру тяжести пространственной геометрической фигуры, составленной этими пунктами.
При изучении изменения во времени состояния регионального блочного массива горных пород наземными и космическими средствами на ГДП использован метод конечных элементов.
Применение данного метода позволило перейти от дифференциальных уравнений в частных производных к системе алгебраических уравнений (2), такой принцип характерен для исследования конечных деформаций физически нелинейных анизотропных тел любой геометрической формы, каким является региональный блочный массив горных пород.
При его использовании бесконечно малыми элементами являются блоки земной коры. Чтобы обеспечить их представительство учитывают размеры данных блоков, т. е. их ранг.
Для этого каждый блок земной коры предлагается аппроксимировать
объёмной моделью, вершины и узлы пересечения границ которой являются пунктами ГДП и закрепляются на местности.
Простейшей объёмной моделью блока земной коры является тетраэдр, при этом наибольшая отметка является его вершиной. Такая схема позволяет оценивать изменения во времени деформаций (напряжений) не в какой-то плоскости, а на глубине Ь, характеризующей центр тяжести этого построения.
Структурная аппроксимация блоков земной коры построениями на ГДП выполняется, исходя из особенностей блочного строения земной коры и её выраженности в рельефе земной поверхности и характеризует многоуровенность реализации сложной динамической системы. В данном случае первый уровень - это структурная аппроксимация отдельного блока земной коры.
Второй уровень - это структурная аппроксимация блоков одного ранга на участке земной коры.
Третий уровень- это структурная аппроксимация блоков разных рангов на участке земной коры
Проведение анализа изменения во времени состояния регионального блочного массива горных пород обеспечивает практическое использование его результатов на основе зонирования. Выделенная при этом зона сжатия при освоении месторождений характеризуется принятием мер, направленных на учет плотностных свойств регионального блочного массива горных пород и концентрации изменений во времени напряжений, приуроченных к границам блоков земной коры. При проведении горных работ в таких зонах наблюдается толчкообразное деформирование массива горных пород.
Для зоны растяжения характерен учет не только плотностных свойств регионального блочного массива горных пород, но и влажности, а также миграции подземных вод и газов.
Ранжирования изменения во времени состояния регионального блочного массива горных пород определяет масштаб зонирования и характеризует деформационные свойства горных пород.
Кроме этого ранжирования изменения во времени данного состояния обеспечивает разделение количественных величин кинематики блоков земной коры и гравитационного поля с учетом влияния техногенных и геодинамических процессов.
Для любой точки М блока земной коры в районе освоения месторождения с координатами Х, У и Н могут быть определены её смещения
ДХ д [Но], ДУ д [Но], ДИ д [1-10], обусловленные не только его кинематикой, но и блоков других рангов К
АХн[1 - 10] = е11К[1 - 10]Х +
+е12К[1 — 10]У + е13К[1 — 10]Н + ак
Аук[1 - 10] = е21К[1 - 10]Х +
+е22К[1 — 10]У + е33К[1 — 10]Н +
АНн(1 - 10] = е31К[1 - 10]Х +
+е32К[1 — 10]У + е33К[1 — 10]Н + сн.
(5)
Влиянием иерархии изменения во времени состояния регионального блочного массива горных пород можно пренебречь в случае выполнения условия ^
ДХ д [1—1о] - ДХд—1 р-'Ьо]< кД С
ДУ д [Но] - ДУ д-1 [Но] < кД С . Г (6)
ДИ д [Но] - ДИ д-1 [Но] < кД С
где к - нормативно установленный
коэффициент.
ди
На рисунке приведены разности смешений по высоте в зависимости от протяженности природного или искусственного объекта, обусловленные влиянием кинематики блоков разных рангов, для нетронутого (ряд 1) и подработанного (ряд 2) массивов.
Результаты, приведенные на рис. 1, показывают особенности влияния геодинамических и техногенных процессов на изменение во времени состояния природных и искусственных объектов.
Кроме этого могут быть с помошью ПЭВМ по программе РТ [3] определены не только техногенные изменения характеристик гравитационного поля, но и его величины, обусловленные кинематикой блока земной коры ранга К.
Коренным отличием предлагаемого использования повторных наблюдений на ГДП является выделения формирующихся (развиваюшихся) напряженных зон при совместном влиянии геодинамических и техногенных процессов, в которых продолжительность и амплитуды изменения во времени состояния регионального блочного массива горных пород оказывают влияние на деформационные его свойства, что является созданием условий для образования разрывов, т.е. структурных преобразований и проявлений других геодинамических явлений.
Разность смешений
я-і Р-о] - дия р-^]
Выделение формирования (развития) напряженных зон при совместном влиянии геодинамических и техногенных процессов характеризует геодинами-ческую активность регионов, а также региональную сейсмичность.
Несомненный практический интерес имеет прогноз изменения во времени состояния регионального блочного массива горных пород, предложенный автором на основе оценке изменения энергетического состояния блоков земной коры.
Уравнение, отражающее зависимость изменение энергии Ер] блока от количественных характеристик кинематики блока земной коры, гравитационного и теплового полей получено соискателем по методу наименьших квадратов (МНК) по результатам математической обработки инструментальных наблюдений на разрезе “50 лет Октября“.
ЕЩ= 2,603653Еро]+17,71490 [Мо]--3,02565 ТМо] + 0,02211ПМо]. (7)
Полученная соискателем зависимость (7) объединяет результаты мониторинга количественных характеристик вертикальных и горизонтальных движений, перераспределения плотности масс и температуры, что является независимым методом, дополняющим работу сейсмостанции, и, обобщающим методику прогноза региональной сейсмичности.
Таким образом, для решения проблем геодинамической безопасности рекомендуются комплексные исследования на ГДП.
1. Соловицкий А.Н. Интегральный метод контроля напряженного состояния блочного массива горных пород. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2003. - 260 с.
2. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2004610007. (ВМ) Определение интегральным методом напряженного состояния блочного массива горных пород, обусловленного взаимодействием блоковых струк-
тур [Текст] /А.Н. Соловицкий. - М.: Роспатент, 2004. - 1 с.
3. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003611001. (РТ) Вычисление техногенных изменений характеристик гравитационного поля, обусловленных перераспределением плотности масс при открытой, подземной и строительной геотехнологии освоения недр [Текст] /А. Н. Соловицкий. - М.: Роспатент, 2003. - 1 с.
— Коротко об авторах--------------------------------------------------------------
Соловицкий А.Н. - ГУ КузГТУ.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 11 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. И.М. Петухов.
---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ
ПОВАЛИХИН Александр Степанович Управление проводкой наклонных и горизонтальных скважин в сложных горно-геологических условиях бурения 25.00.14 д. т.н.
