CC BY
1
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 622.834
К ПРОБЛЕМЕ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ МЕЖДУ ДЕФОРМАЦИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО ГЕНЕЗА
С.В. Усанов, Ю.П. Коновалова, С.А. Ногин, Н.А. Панжина
Вопросы, связанные с устойчивостью земной поверхности, зданий и сооружений, находящихся в зоне влияния горных работ, являются актуальными, несмотря на многолетний опыт теоретических и экспериментальных исследований в этой области. Особое внимание заслуживают внезапные аномальные деформационные процессы, которые, как правило, являются следствием сложного взаимодействия различных природных и техногенных факторов. Для комплексной оценки факторов, предшествующих аномальным деформациям, для установления особенностей их взаимного влияния представляет интерес ретроспективный анализ мониторинговых наблюдений за процессом сдвижения и деформирования земной поверхности за многолетний период на объектах недропользования. Для проведения таких исследований созданы базы данных архивных мониторинговых маркшейдерско-геодезических наблюдений за деформационными процессами на месторождениях за многолетний период, предложена методика их интерпретации, разработаны программные модули, позволяющие оперативно выполнять ретроспективный анализ большого объема данных.
Ключевые слова: массив горных пород, процесс сдвижения, мониторинг, земная поверхность, аварийные деформационные явления, геодинамические движения, ретроспективный анализ наблюдений.
Введение
Процессы сдвижения горных пород при отработке месторождений полезных ископаемых, несмотря на более чем полуторавековой опыт их изучения, по-прежнему остаются одной из основных проблем. По мнению И.Л. Бахурина, одного из основоположников геомеханики, «вся история горного дела, вся история изыскания наилучших систем разработок есть история борьбы со сдвижением горных пород» [1].
Сдвижение горных пород и земной поверхности имеет многообразие форм проявления, что является результатом совокупного влияния разнообразных факторов, которые для разных горно-геологических условий встречаются в различных сочетаниях. Факторы, характеризующие структурные особенности массива горных пород, прочностные свойства, геометрические параметры рудных тел и глубина их залегания определяют основные закономерности процесса сдвижения. Применяемые системы разработки также относятся к основополагающим факторам, позволяющим судить о характере процесса сдвижения. К непостоянно действующим факторам, но оказывающим также существенное влияние на сдвижение, относятся крупные тектонические нарушения, неровный рельеф поверхности, обводненность пород и т.п. Их влияние слабо изучено и устанавливается в каждом конкретном случае отдельно.
Сложность комплексного учета перечисленных факторов в различных сочетаниях при отработке месторождений является причиной внезапных аномальных деформационных процессов в массиве горных пород, проявляющихся провалами, обрушениями, приводящих к повреждениям зданий и сооружений, нарушению технологических процессов [2 - 6].
Одним из важных параметров, определяющим развитие катастрофических деформационных процессов, является геодинамическая активность массива, проявляющаяся в виде современных геодинамических движений, формирующих его напряженно-деформированное состояние [2, 3,
5].
Как известно, геодинамическое состояние недр определяется совокупностью природных (экзо- и эндогенных) и техногенных воздействий. По масштабу воздействия подразделяются на локальные, региональные и глобальные, с меняющимися в зависимости от этого степенью локализации, характером и интенсивностью проявлений, как можно видеть в таблице ниже.
Кроме движений, формирующихся под воздействием факторов, перечисленных в таблице, в ходе непрерывного мониторинга обнаружены короткопериодные движения суточного масштаба, не связанные с землетрясениями и регистрируемые как геодезическими [7], так и сейсмическими методами [8]. Деформации, обусловленные этими движениями, могут достигать значений до 10-3 на интервалах от десятков метров до пяти-шести километров. Такие движения способны прямым или косвенным образом влиять на объекты недропользования: путем достижения критических значений в деформациях, обусловленных всплеском амплитуд движений, а также через проявление усталостных эффектов в конструкциях сооружений и через изменение свойств массива горных пород в разломных зонах под влиянием переменных циклических нагружений [9].
Факторы геодинамических^ движений
Факторы Масштаб Период воздействия Типичные значения деформаций
Планетарные эндогенные процессы: явления тепловой, хими-ко-плотностной конвекции, изо-стазии и т.п. Глобальный, региональный уровни >102 лет <10-5
Метеорологические экзогенные воздействия (осадки, температура, атмосферное давление) Глобальный, региональный уровни сутки месяц год 10-5-10-8
Астрономические (лунно-солнечные приливы) Глобальный, региональный уровни часы сутки неделя 10-8-10-9
Геологические процессы (карст, оползни, тектоника и т.п.) Локальный, региональный уровни >100 лет 10-3-10-4
Техногенные воздействия (горные работы, строительство) Локальный уровень 100-101 лет 10-3
Кроме того, известен особый тип аномальных деформационных процессов, приуроченных к зонам тектонических нарушений, получивший название суперинтенсивных деформаций, имеющих скорости 10-5/год и более [10]. Они имеют пульсационную, и/или знакопеременную направленность, периодичность от одного месяца до года и чуть более, пространственную локализацию от 100 метров до 1 километра. С точки зрения нелинейных динамических систем суперинтенсивные деформации являются параметрически индуцированными малыми природно-техногенными воздействиями в обстановке квазистатического режима нагружения геологической среды. Такие деформационные процессы опасны для объектов недропользования, поскольку способны накапливать в среде напряжения около 1^5 Мпа в течение первых десятков лет. Эти напряжения сопоставимы с порогом прочности конструкционных материалов, и, в связи с этим, возможно проявление их значительного и необратимого изменения в областях максимального проявления суперинтенсивных деформаций [10]. Исследования показали, что суперинтенсивные деформации зачастую индуцируются в районах добычи полезных ископаемых, а также на участках точечной застройки на урбанизированных территориях.
Таким образом, результаты научных исследований последних лет свидетельствуют, что на объектах недропользования, в иерархически-блочном массиве горных пород под воздействием современных геодинамических движений различного генеза происходят явления вторичного структурирования, формирующего напряженно-деформированное состояние, имеющее дискретную, неоднородную, структуру, постоянно изменя-
ющуюся во времени (рис. 1). Особую опасность для объектов недропользования представляют граничные области образовавшихся вторичных структур, где явления концентрации и депрессии могут вызвать отклонения параметров напряжений и деформаций, в несколько раз отличающиеся от усредненных интегральных значений [9].
Рис. 1. Мозаичная структура распределения параметров первого инварианта приращения напряженного состояния в массиве горных пород за период 2014 - 2015 годы в районе Северопесчанского
месторождения
Для обеспечения геодинамической безопасности объектов недропользования необходима локализация энергонасыщенных участков и оценка уровня их критичности. На отечественных месторождениях широко реализуется многоуровневый мониторинг геодинамических процессов, позволяющий выявлять опасные геодинамические движения и давать прогнозную оценку их влияния на эксплуатацию объектов [11, 12].
В случае проявления внезапных аномальных деформаций, представляет интерес ретроспективный анализ мониторинговых наблюдений за процессом сдвижения и деформирования земной поверхности на участках их возникновения для комплексной оценки факторов, предшествующих событию, и поиску возможных закономерностей. Такие исследования начаты на основании большого массива данных экспериментальных ис-
следований процесса сдвижения на месторождениях Урала и Казахстана, накопленного с 1960-х годов.
Созданы базы данных архивных мониторинговых маркшейдерско-геодезических наблюдений за деформационными процессами на месторождениях за многолетний период, а также программное обеспечение, позволяющее оперативно выполнять ретроспективный анализ большого объема данных.
Методика организация и интерпретации архивных данных наблюдений
В целях повышения безопасности эксплуатации зданий и сооружений на горных предприятиях необходимо выделять районы повышенной геодинамической активности, что позволяет, как оценить опасность повреждения уже имеющихся объектов, так и выделять площадки для размещения планируемых. Подобное районирование возможно только после комплексного учета природных и техногенных воздействий, формирующих напряженно-деформированное состояние подрабатываемого массива горных пород. Для этого необходимо соответствующим образом учесть и организовать архивные данные, после чего провести их анализ и интерпретацию, как показано на рис. 2.
Фонды научных организаций
НИР по мониторингу
Анализ мирового опыта исследований геодинамических движений
Анализ количества и качества данных по объектам БД
Исторические
данные мониторинга
Анализ архивных материалов и создание базы данных наблюдений за деформациями на опасных объектах недропольз ова ння
Инструментальные
наблюдения за деформационными процессами
Пополнение цифровых баз данных
Создание баз данных
Наблюдаемые объекты
Анализ проявлений
геодинамнческои активности на
различных пространственно-
временных масштабах
Выделение техногенного и природного вкладов в геодинамику территории опасного производственного объема ведения горных работ
Районирование территорий шахт и карьеров по уровню геодинамической активности
Рис. 2. Схема сбора данных и исследования геодинамики на объектах недропользования
Анализ исторических данных наблюдений геодинамической активности земной поверхности, проведенный авторами, охватил 745 источников в сфере геомеханики, в т.ч. 270, включающих расчеты устойчивости и
данные мониторинга сдвижения поверхности и способных послужить основой для дальнейшего районирования. Для них созданы базы данных (согласно определению, в [13]), включающие основные сведения об источниках: тип (мониторинговая работа с данными наземных инструментальных измерений на наблюдательных станциях, наблюдения на геодинамическом полигоне с применением ОРБ-съемки и т.п.), год и краткая характеристика работы, местоположение наблюдаемого объекта, сведения о проведенных наблюдениях (год, количество серий). Из работ, содержащих данные мониторинга и расчеты процесса сдвижения, в соответствии со схемой исследования, приведенной на рисунке, выбраны объекты, наиболее широко представленные в этих источниках. Временной промежуток покрытия измерениями для них превышает 40 лет. Данные собственно измерений на наблюдательных станциях на выбранных объектах сведены в отдельные базы, содержащие локальные координаты реперов, их высоты, длины интервалов, полученные в ходе инструментальных наблюдений с заданной точностью. Также выбор объектов объясняется наличием на их территории геодинамических полигонов, на которых проводились площадные наблюдения. Это позволяет в дальнейшем сопоставлять результаты наблюдений между собой для определения зон растяжений и сжатий массива горных пород на основе его поверхностных деформаций.
В ходе дальнейшей работы на основе созданных баз данных выявляется геодинамическая активность на локальном уровне различного происхождения. При этом на исследование накладывается ограничение, обусловленное тем, что типичной периодичностью наблюдений, следующей из задач охраны подрабатываемых сооружений, является 1 серия в год. В связи с этим невозможно вычленить короткопериодные движения на территории предприятий; в данном случае исследуются долгопериодические процессы.
Для целей первичного выявления геодинамических процессов необходимо для каждой профильной линии наблюдательной станции строить «матрицу деформаций» - таблицу, содержащую для каждого репера профильной линии и года наблюдений разности значений вычисляемых значений деформаций (в общем случае и других параметров сдвижения) за текущий и предыдущий годы наблюдений. Также возможен случай, когда матрицы строятся не для каждого года, а для набора усредненных величин за несколько лет (вместе со средними значениями рассматриваются также максимальные и минимальные за те же временные промежутки), что дает возможность выявить долгосрочные тенденции в развитии процесса сдвижения, в том числе предшествующие развитию аномальных деформаций. Построение данных матриц позволяет наиболее емко отразить динамику процесса сдвижения и определить месторасположение наиболее активных в геодинамическом отношении участков, выявить природно-техногенные особенности их формирования и миграции.
Кроме того, для облегчения анализа накопленного массива данных был разработан инструмент в виде совокупности программных модулей, позволяющий вычислять, сопоставлять и анализировать различные параметры сдвижений за различные наборы выбираемых пользователем серий измерений, что также позволяет проводить усреднения в оперативном режиме по запросу пользователя. Наличие этого инструмента обеспечивает реализацию этапа первичного выявления геодинамической активности в рамках описанной методики.
Комплексная оценка воздействия природных и техногенных факторов на процесс сдвижения базируется на анализе геологических данных, в частности, о зонах локальных разломов и прочих нарушениях массива, а также на горнотехнической информации за весь период отработки месторождения. Данный комплекс исследований позволит выявить активность, вызванную преимущественно отработкой запасов полезных ископаемых, и сделать выводы о влиянии на нее естественного геодинамического фона.
Заключение
Предложенная методика исследования исторических данных мониторинга геодинамической активности земной поверхности позволяет провести комплексный ретроспективный анализ проявлений геодинамических процессов на территории объектов недропользования. Он затрагивает широкий спектр характеристик сдвижения; так, можно установить участки с колебательными процессами, определить характер деформирования как для отдельных участков, так и для наблюдаемой территории в целом. Такой анализ позволит комплексно оценить воздействие природных и техногенных факторов на процессы сдвижения и установить особенности их взаимного влияния, способствующие возникновению аварийных деформационных явлений в толще массива и на поверхности.
Исследование выполнено в рамках Государственного задания №075-00412-22 ПР. Тема 3 (2022-2024). (ЕИЖЕ-2022-0003), рег. №1021062010536-3-1.5.1.
Список литературы
1. Бахурин, И. М. Сдвижение горных пород под влиянием горных разработок. М.-Л.: Гостопиздат, 1946. 229 с.
2. Внезапные деформационные процессы в горном массиве при недропользовании: факторы проявления и возможности предупреждения / С. В. Усанов [и др.]. // Горная промышленность. 2022. № S1. С. 111-118. 001: 10.30686/1609-9192-2022-18-111-118.
3. Сашурин А. Д. Формирование напряженно-деформированного состояния иерархически блочного массива горных пород // Проблемы недро-
пользования [Электронный ресурс]: рецензируемое сетевое периодическое научное издание. ИГД УрО РАН. 2015. №1(4). С. 38-44.
4. Харисова О. Д., Харисов Т. Ф. Анализ многолетних инструментальных наблюдений и прогноз развития аварийных ситуаций на Саранов-ском месторождении // Проблемы недропользования. рецензируемое сетевое периодическое научное издание. ИГД УрО РАН. 2020. №2(25). С. 134143. [Электронный ресурс].
5. Лобанова Т. В. Особенности обрушения земной поверхности над выработанным пространством слепых рудных тел юго-восточного участка Таштагольского месторождения // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2019. Т.6. №1. С. 169-175. DOI: 10.15372/FPVGN2019060129.
6. Florkowska L., Bryt-Nitarska I., Kruczkowski J. Déformation and damage to buildings caused by ground movements in mining areas // Inzynieria Bezpieczenstwa Obiektow Antropogenicznych. 2021. Р. 52-63. D0I:10.37105/iboa.125.
7. Панжин А. А. Исследование короткопериодных деформаций раз-ломных зон верхней части земной коры с применением систем спутниковой геодезии // Маркшейдерия и недропользование. 2003. № 2. С. 43-54.
8. Научный приоритет и современное состояние изученности природного явления «медленных землетрясений» / И.Л Учитель [и др.] // H^i технологи в будiвництвi. 2011. №2(22). С.66-73.
9. Сашурин А. Д. Современная геодинамика и техногенные катастрофы // Геомеханика в горном деле. Междунар. конф. 19-21 ноября 2002 г. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2003. С.180-191.
10. Кузьмин Ю. О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании. М.: Агентство экономических новостей, 1999. 220 с.
11. Оценка современной геодинамической ситуации таштагольского железорудного месторождения / Б. Т. Мазуров, Т. В. Лобанова, Т. Е. Ел-шина, Д. А. Абжапарова // Вестник СГУГиТ. 2021. Т. 26. №4. С.24-31. D0I:10.33764/2411-1759-2021-26-4-24-31.
12. Сашурин А. Д., Панжин А. А. Организация геодинамического мониторинга на карьерах Качканарского ГОКа // Проблемы недропользования [Электронный ресурс]: рецензируемое сетевое периодическое научное издание. ИГД УрО РАН. 2015. № 1(4). С. 45-54.
13. Карпова И.П. Базы данных : учеб. пособие. М.: Московский государственный институт электроники и математики (технический университет), 2009.
Усанов Сергей Валерьевич, канд. техн. наук, зав. лабораторией, [email protected], Россия, Екатеринбург, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук,
Коновалова Юлия Павловна, ст. науч. сотр., [email protected], Россия, Екатеринбург, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук,
Ногин Святослав Александрович, мл. науч. сотр., nsa@,igduran.ru, Россия, Екатеринбург, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук,
Панжина Наталья Александровна, мл. науч. сотр., [email protected], Россия, Екатеринбург, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук
TO THE PROBLEM OF INTERRELATIONS BETWEEN DEFORMATION PROCESSES OF THE EARTH SURFACE OF NATURAL AND ANTHROPOGENIC GENESIS
S.V. Usanov, Yu.P. Konovalova, S.A. Nogin, N.A. Panzhina
Issues related to the stability of the earth's surface, buildings and structures located in the zone of mining influence are relevant despite many years of experience in theoretical and experimental research in this field. Sudden abnormal deformation processes deserve special attention. They are the result of the complex interaction of various natural and techno-genic factors. A retrospective analysis of monitoring surveying of the earth's surface movement and deformation over a multi-year period at subsoil use facilities is of interest for a comprehensive assessment of factors preceding anomalous deformations and to establishment the features of their mutual influence. Databases of archival monitoring geodetic surveying of deformation processes have been created for such studies, methods of their interpretation have been proposed and software modules have been developed that allow you to quickly perform retrospective analysis of a large amount of data.
Key words: rock mass, displacement process, monitoring, earth surface, accidental deformation phenomena, geodynamic movements, retrospective observations analysis.
Usanov Sergey Valerievich, candidate of technical sciences, head of laboratory, [email protected], Russia, Yekaterinburg, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
Konovalova Yuliya Pavlovna, senior researcher, [email protected], Russia, Yekaterinburg, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
Nogin Svyatoslav Aleksandrovich, junior researcher, [email protected], Russia, Yekaterinburg, Mining Institute of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences,
Panzhina Nataly Alexandrovna, junior researcher, _panzhina@,bk.ru, Russia, Yekaterinburg, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
Reference
1. Bakhurin, I. M. Displacement of rocks under the influence of mining. M.-L.: Gostopizdat, 1946. 229 p.
2. Sudden deformation processes in a mountain massif during subsurface use: factors of manifestation and possibilities of prevention / S. V. Usanov [et al.]. // Mining industry. 2022. No. S1. pp. 111-118. DOI: 10.30686/1609-9192-2022-1S-111-118.
3. Sashurin A.D. Formation of the stress-strain state of a hierarchically block rock mass // Problems of subsoil use [Electronic resource]: peer-reviewed network periodical scientific publication. IGD UrO RAS. 2015. No. 1(4). pp. 38-44.
4. Kharisova O. D., Kharisov T. F. Analysis of long-term instrumental observations and forecast of the development of emergency situations at the Saranovskoye field // Problems of subsoil use [Electronic resource]: peer-reviewed network periodic scientific publication. IGD UrO RAS. 2020. No.2(25). pp. 134-143.
5. Lobanova T. V. Features of the collapse of the Earth's surface over the worked-out space of blind ore bodies of the southeastern section of the Tashtagol deposit // Fundamental and applied issues of mining Sciences. 2019. Vol.6. No.1. pp. 169-175. DOI: 10.15372/FPVGN2019060129.
6. Florkowska L., Bryt-Nitarska I., Kruczkowski J. Deformation and damage to buildings caused by ground movements in mining areas // Inzynieria Bezpieczenstwa Obiektow Antropogenicznych. 2021. pp. 52-63. DOI:10.37105/iboa.125.
7. Panzhin A. A. Investigation of short-period deformations of fault zones of the upper part of the Earth bark with application satellite geodesy systems // Surveying and subsoil use. 2003. № 2. Pp. 43-54.
8. Scientific priority and the current state of the study of the natural phenomenon of "slow earthquakes" / I. L. Uchitel [et al.] // Novii technologii in budivnitsvi. 2011. No.2(22). pp.66-73.
9. Sashurin A.D. Modern geodynamics and technogenic cata-stanzas // Collection of scientific tr. Geomechanics in mining. International Conference November 19-21, 2002 Yekaterinburg: IGD UrO RAS, 2003. pp.180-191.
10. Kuzmin Yu. O. Modern geodynamics and assessment of geodynamic risk in subsurface use. Moscow: Economic News Agency, 1999. 220 p.
11. Assessment of the current geodynamic situation of the Tashtagol iron ore deposit / B. T. Mazurov, T. V. Lobanova, T. E. El-shina, D. A. Abzhaparova // Bulletin of SGUGiT. 2021. Vol. 26. No. 4. pp.24-31. DOI:10.33764/2411-1759-2021-26-4-24-31.
12. Sashurin A.D., Panzhin A. A. Organization of geodynamic monitoring at the Kachkanarsky GOK quarries // Problems of subsoil use [Electronic resource]: peer-reviewed network periodical scientific publication. IGD UrO RAS. 2015. No. 1(4). pp. 45-54.
13. Karpova I.P. Databases : studies. stipend. Moscow: Moscow State Institute of Electronics and Mathematics (Technical University), 2009.
