CC BY
22
© А. С. Батугин, 2006
УДК 550.834:622.8 А. С. Батугин
К МЕХАНИЗМУ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ 25.04.97 и 27.04.97НА СЕВЕРЕ КУЗБАССА
Семинар № 11
"у С 04.97 и 27.04.97 на севере Куз-£ басса произошли землетрясения силой до 5 баллов и М=2,3. Как отмечается в работе [1], эпицентр землетрясений приурочен к полю шахты «Анжерская». Несмотря на незначительные последствия этих землетрясений, условия их возникновения и возможный механизм представляют, по нашему мнению, значительный научный и практический интерес.
Как нами уже указывалось ранее, при затоплении шахт может происходить активизация крупных тектонических нарушений (длиной от 0,5-1 км) с подвижками крыльев и изучением сейсмической энергии [2, 3]. Сущность этого процесса заключается в том, что под действием гидростатического давления воды уменьшается нормальное сжатие крыльев дизъ-юнктива, в плоскости сместителя возрастает отношение сдвигающих сил к удерживающим, в результате чего увеличивается опасность внезапного смещения одного из крыльев. Реализации данного механизма способствует то, что горный массив на отработанном поле шахты по сравнению с нетронутым массивом имеет разуплотненные зоны, возникшие в результате добычи полезного ископаемого, по которым осуществляется связь водоносных горизонтов и передается гидравлическое давление. Кроме того, нарушенный горными работами массив имеет более низкие прочностные свойства по сравнению с нетронутым массивом, что также облегчает толчкообразное смещение одного из крыльев в сторону выработанных пространств.
Для оценки геодинамической опасности шахтных полей ликвидируемых шахт предложен подход, согласно которому оценивается активность (опасность) каждого из крупных тектонических нарушений, пересекающих шахтное поле [3].
К активным нарушениям относятся такие, для которых выполняется условие:
—>1,
где тп - величина действующих в плоскости сместителя касательных напряжений; ткрит - расчетная величина касательных напряжений, достаточных для смещения крыльев нарушения по плоскому сместителю.
Величина ткрит может быть оценена
по формуле:
Ткрит = ап ' к,
где к - коэффициент сухого трения; ап -величина нормального напряженияк плоскости сместителя.
В работе [3] показано, что с ростом гидростатического давления р величина тп не изменяется, а ткрит уменьшается
за счет уменьшения ап . В предельном случае при р = ап величина ткрит обращается в нуль и тогда смещению крыльев дизъюнктива под воздействием тп будет препятствовать только прочность разрыхленного и нарушенного горными работами массива.
Для месторождений, расположенных в участках земной коры 3-й степени геодинамической опасности (например, СУБР)
рост отношения
за счет влияния
зоны разгрузки от горных работ до значений 3 и выше уже приводит к проявлениям внезапных подвижек по нарушениям [4,5].
Для условий севера Кузбасса, участка 2-й степени геодинамической опасности, соотношение величин напряжений
А = — можно принять как А = 2. При-
нимая ст3 = у • Н , с учетом
глубины 700 -
СТ = 2
СТз м
для
будем
иметь т = ■
1000
0,5/ • Н , или мак-
симум 7 - 10 МПа.
Таких величин касательных напряжений, намного меньших сдвиговой прочности массива, очевидно, недостаточно для толчкообразных смещений крыльев нарушений.
Однако, как известно из результатов математического и физического моделирования, вблизи поверхности сместителя, особенно при отсутствии контакта крыльев дизъюнктива, происходит изменение направлений действия ст, ист3, при котором ст, начинает действовать вдоль
плоскости сместителя, а ст3 - перпендикулярна ему рис. 1 [6].
В этом случае сдвигающие напряжения могут существенно возрастать, приближаясь к ст, и достигать уже 15 - 20 МПа,
что соизмеримо с прочностью массива, нарушенного горными работами.
Таким образом, механизм землетрясений, возникающих после затопления шахт, можно представить себе следующим образом.
В результате подъема уровня воды в шахте происходит ее проникновение в трещины различных порядков, в том числе и между крыльями крупных тектонических нарушений. Из-за повышения давления воды р нормальное сжатие крыльев
нарушения постепенно уменьшается, что приводит к уменьшению механического контакта между ними. Уменьшение механического контакта крыльев вызывает, в свою очередь, изменение траекторий главных нормальных напряжений и сдвигающие силы вдоль плоскости сместителя значительно увеличиваются. В какой-то момент растущие касательные напряжения при уменьшающемся нормальном сжатии крыльев и вызывают внезапную подвижку по нарушению.
Такой механизм вполне мог быть реализован при затоплении шахты Анжер-ская, структурная геодинамическая схема поля которой представлена на рис. 2.
Шахта «Анжерская» отрабатывала пласты Десятый, Андреевский, Коксовый и на момент закрытия имела
глубину более 700 м. Площадь шахтного поля составляла око-
Рис. 1. Изменение траекторий осей главных напряжений вблизи разрыва [6]
Рис. 2. Схема геодинамического районирования поля шахты «Ан-жерская»: 1, 2 соответственно границы блоков 2-го и 3-го рангов; 3 -дизъюнктивы шахтного поля; 4 -Томский надвиг; 5 - направление максимального сжатия
ло 4 км2. Затопление шахты началось в 1995 году, скорость подъема воды составляла в среднем 10 м\мес. К апрелю 1997 г, когда произошли упомянутые землетрясения, подъем воды в шахте составлял более 200 м.
Тектонически шахтное поле приурочено к интенсивно нарушенной замковой части анжерской синклинали. Наиболее крупным дизъюнктивным нарушением данного района является Томский надвиг, отделяющий Кузбасс от Колывань - Томской складчатой области. Основные дизъ-юнктивы, вскрытые горными выработками - согласные взбросы, для которых отмечается зависимость углов падения от углов падения угольной толщи. В районе шахтного поля Томский надвиг образует коленообразный изгиб, изменяя свое простирание с меридионального на субширотное и вновь на меридиональное. Длина широтного участка, который является северной границей шахтного поля, составляет несколько километров. Здесь, в районе коленообразного изгиба
Томского надвига, при ведении горных работ обнаружены протяженные несогласные дизъюнктивы субширотной ориентировки, часть из которых является сдвигами, а часть сбросами с вертикальной штриховкой на сместителях. Эти дизъюнктивы первоначально были изучены в горных выработках в процессе эксплуатации шахтным геологом А.Н. Леще-
вой [7]. Хорошо были изучены пять поперечных сдвигов - Рь Р2, Р3 , Р4 , Р5 . Их характерной особенностью является то, что они смещают складки и продольные дизъюнктивы с запада на восток от 5 до 20 м. Наиболее крупным и протяженным является сдвиг Р1, прослеженный в южной части шахтного поля по всем пластам более чем на 1,8 км.
Как видно из рис. 2, в районе шахтного поля отмечаются границы блоков 2-го ранга субширотного, субмеридионального и диагональных простираний. Границы блоков 3-го ранга имеют северо - северовосточное и меридиональное простирание. С простиранием крупных дизъюнктивов шахтного поля коррелируют границы блоков меридиональной и ССВ ориентировки, что косвенно указывает на то, что эти дизъюнктивы активизированы современными тектоническими процессами.
Оценим возможность внезапных смещений по дизъюнктивам шахтного поля при затоплении шахты. Элементы залегания основных крупных дизъюнктивов шахтного поля, рассчитанные для них значения стп в долях ст1 и значения
гу представлены в таблице.
/ Ттах
Анализ таблицы показывает, что все нарушения, за исключением крутопадающих запад-северо-западного простирания, расположены в плоскостях, близких к гтах , т.е. благоприятно для развития по ним смещений и для искривления осей главных напряжений вдоль плоскостей сме-стителей.
Для оценки избыточных напряжений сдвига, действующих вдоль сместителей при искривлении осей главных напряжений примем:
ст =ст = 0,5ст1 ;т = ст;
Тр =стп •к = (0,5о-1 — р)-к . Имеем:
Дг = т — ткр =СТ1 -(1 - 0,5 • к) + р. к
При к = 0,2 - 0,3 и р = 2 МПа Дг =
0,8 ■ 0,9 ст1 + 0,4 ■0,6 .
При ст1 = 15 — 20 МПа превышение
сдвигающих сил над силой трения составит 12-18 МПа.
Прочность массива, нарушенного горными работами, оценим из условия
ст„
, где стсж. - прочность уг-
леносных пород, Л1 - коэффициент структурного ослабления, А? - коэффициент ослабления за счет ведения горных работ.
Примем: стсж = 50 - 90 МПа; ^ = 2 -3; Л2 = 2,2 - 2,8 (по аналогии с коэффициентом ослабления прочности угля и пород в зоне влияния тектонического нарушения). Получим:
стсж и 10 - 25 МПа, что сопоставимо с величинами избыточных напряжений, действующих вдоль сместителей.
Таким образом, напряжений действующих вдоль плоскостей сместителей нарушений шахты «Анжерская» вполне достаточно для толчкообразного деформирования массива, нарушенного ведением горных работ.
Попробуем оценить энергию, способную выделиться при подвижках по сме-стителям нарушений шахты «Анжерская» по формуле: Ж = £ ■ аср • к,
где £ - площадь, по которой произошли смещения, м2; аср - среднее горизонтальное напряжение, действующее на площадь Б, к - средняя величина перемещения пород в горизонтальном направлении.
Примем для условий шахты «Анжерская» площадь £ = 400 х 100 м, аср = 15 МПа.
Величину к оценим из условия упругой разгрузки массива. Деформация упругой разгрузки:
Е
а
ь =
Тектонофизические условия для дизъюнктивов поля шахты «Анжерская»
Нарушение Аз Угол Т / Ттах При стп / ст при
пад пад —1 <ца< +1 —1 <К< +1
1 32 70 0,97 0,7-0,77
2 25 80 0,97-0,99 0,8-0,84
3 240 70 0,82-0,5 0,53-0,59
4 300 75 0,99 0,75-0,77
Согласный взброс 282 45 0,97-0,61 0,35-0,55
где Е - модуль упругости, для угленосных интенсивно трещиноватых пород принимаем Е = 108 Па. Получим е = 0,015.
Или, для участка массива 400 - 500 м для условия полной разгрузки к ~ 0,01 м.
Вычислим Ж = 4 ■ 104 ■ 15 ■ 106 ■ 10-2 = 6 ■ 108 Дж.
Принимая, что сейсмическая энергия составляет 10% от всей выделяемой энергии, получим Жсейсм = 6 ■ 107 Дж, что сопоставимо с силой произошедших землетрясений на поле шахты в апреле 1997 г.
Таким образом, механизм мелкофокусных землетрясений, произошедших на севере Кузбасса в 1997 году, можно представить следующим образом.
1. В результате ведения горных работ на шахтном поле сформировалась мульда сдвижения с макротрещинами в подработанном массиве, что привело к увеличе-
1. Лазаревич Т.И., Поляков А.Н. Результаты исследования техногенной сейсмичности Кузбасса // ГИАБ МГГУ Москва, 2002, №9, с.151-154.
2. Батугин А.С., Климанова В.Г. Оценка влияния глубины затопления ликвидируемых шахт на повышение геодинамической опасности. Деформирование и разрушения материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках. Симферополь, 2000, с. 26-27.
3. Батугин А.С., Климанова В.Г. Затопление ликвидируемых шахт как возможная причина техногенных землетрясений в горнопромышленных районах //ГИАБ, 2002, с. 181-184.
4. Батугин А.С. К механизму проявления подвижек по сместителям нарушений при гор-
нию скважинности и снижению прочности массива.
2. При затоплении шахты повышающееся гидростатическое давление, предаваемое через макротрещины массива, постепенно снизило нормальное сжатие крыльев крупных дизъюнктивов типа согласных взбросов и поперечных сдвигов.
3. В результате снижения нормального сжатия плоскостей сместителей дизъюнктивов и уменьшения их механического контакта создались условия для роста сдвигающих сил вдоль сме-стителей за счет изменения траектории действия главных напряжений.
Под действием этих увеличивающихся напряжений и произошли подвижки крыльев нарушений в сторону разуплотненного пространства, нарушенного ведением горных работ с выделением сейсмической энергии.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
но-тектонических ударах / Горное давление, горные удары и сдвижение массива: Сб. научных трудов / ВНИМИ. СПб.,1994 - с. 157 - 160.
5. Батугин А.С. Классификация участков земной коры по степени геодинамической опасности /3-я международная конференция "Экология и развитие северо-запада " - СПб. 1996. - с. 263 -267.
6. Осокина Д.Н. Цветкова Н.Ю. Метод моделирования локальных полей напряжений в окрестностях тектонических разрывов и в очагах землетрясений / Поля напряжений и деформаций в литосфере. М.: Наука. 1979. с.139-162.
7. Лещева А.Н. Тектоника поля шахты 9/15 Анжеро-Судженского района Кузбасса. Вопросы геологии Кузбасса. Т.2, Томск, 1959.
— Коротко об авторах
Батугин А.С. - Московский государственный горный университет.
