Научная статья на тему 'Мониторинг геодинамических движений горного массива Высокогорского железорудного месторождения при масштабном техногенном воздействии сложного горнодобывающего комплекса'

Мониторинг геодинамических движений горного массива Высокогорского железорудного месторождения при масштабном техногенном воздействии сложного горнодобывающего комплекса Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
156
23
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЯ / GEODYNAMIC MOVEMENT / ГОРНЫЙ МАССИВ / ТЕКТОНИЧЕСКИЕ НАРУШЕНИЯ / TECTONIC FAULTS / БЕЗОПАСНОСТЬ ГОРНЫХ РАБОТ / MINING SAFETY / ТЕХНОГЕННЫЕ ОБЪЕКТЫ / PRODUCTION-MADE OBJECTS / ROCK MASS

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Усанов Сергей Валерьевич

Представлены результаты исследований параметров современных геодинамических движений по тектоническим нарушениям под влиянием техногенных нагрузок, что является актуальной проблемой, имеющей высокое значение для безопасности ведения горных работ и предотвращения аварийных ситуаций при эксплуатации зданий и сооружений. Приведены результаты многолетних натурных исследований величин подвижности в районе тектонических нарушений на трех масштабных уровнях: в подземных горных выработках, на поверхности в области мульды сдвижения и за ее пределами на расстояниях от 3 до 10 км.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Monitoring of geodynamic movements of rocks under large-scale complicated mining impact in the vysokogorsky iron ore mine

In article results of researches of geodynamic movements since 2002 at high technogenic loads are presented. Researches were spent at three scale levels: in underground workings, on a surface in the shift trough and on distances of 3-10 kilometers from the shift trough.

Текст научной работы на тему «Мониторинг геодинамических движений горного массива Высокогорского железорудного месторождения при масштабном техногенном воздействии сложного горнодобывающего комплекса»

- © С.В. Усанов, 2014

УДК 622.834.53

С.В. Усанов

МОНИТОРИНГ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ ГОРНОГО МАССИВА ВЫСОКОГОРСКОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПРИ МАСШТАБНОМ ТЕХНОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ СЛОЖНОГО ГОРНОДОБЫВАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА*

Представлены результаты исследований параметров современных геодинамических движений по тектоническим нарушениям под влиянием техногенных нагрузок, что является актуальной проблемой, имеющей высокое значение для безопасности ведения горных работ и предотвращения аварийных ситуаций при эксплуатации зданий и сооружений. Приведены результаты многолетних натурных исследований величин подвижности в районе тектонических нарушений на трех масштабных уровнях: в подземных горных выработках, на поверхности в области мульды сдвижения и за ее пределами на расстояниях от 3 до 10 км.

Ключевые слова: геодинамические движения, горный массив, тектонические нарушения, безопасность горных работ, техногенные объекты.

Основные техногенные объекты Высокогорского месторождения, участвующие в формировании напряженно-деформированного состояния массива горных пород на участке ведения современных горных работ занимают территорию площадью около 200 га (рис. 1). В южной части этого комплекса находится «Мед-норуднянский» карьер площадью около 24 га и глубиной 80 м. Западнее от него находится карьер «Главный», площадью около ПО га и глубину 275 м. В восточном борту карьера находится большое количество старых (ХУП-Х1Х вв.) затопленных подземных выработок. На севере выработанное пространство «Главного» карьера соединено с зоной обрушения от подземных разработок геологического блока 15. К северо-востоку от нее, отделенные породной перемычкой под горой Шихан, образовались зоны обрушения от разработки Западно-Ревдинских, Восточно-Ревдинских залежей и гео-

логического блока 21, сомкнувшиеся в единую зону обрушения, простирающуюся в северном и северо-восточном направлениях. Современные подземные горные работы опустились на глубину 735-815 м. Отработка рудных запасов ведется с обрушением выработанного пространства. Общая площадь зоны обрушения составляет около 65 га, а глубина превышает 70 м. На северном фланге находится изолированная зона обрушения от верхних горизонтов Восточно-Ревдинских залежей. Между зоной обрушения Западно-Ревдинского участка и Мед-норуднянским карьером находится Западно-Ревдинский отвал площадью 38 га и высотой 70 м.

В формировании месторождения значительную роль играли тектонические нарушения сбросо-сдвигового характера, основными из которых являются сместители - «Главный», «Средний» и «Диагональный». Они разбивают месторождение на три крупных

* Работа выполнена при поддержке РФФИ. 208

Рис. 1. Основные техногенные объекты Высокогорского месторождения: 1 - про-млощадка ш. «Магнетитовая»; 2 - зона обрушения от подземных горных работ; 3 - карьер «Главный»; 4 - карьер «Медноруднянский»; 5 - отвалы «Главного» карьера; 6 - Западно-Рев-динские отвалы

тектонических блока. Основные тектонические нарушения и их оперяющие меньшего порядка (рис. 2) образуют систему взаимосвязанных плоскостей сдвига, по которым в процессе разработки месторождения наблюдаются различные по величине подвижки. Причина подвижек связана с естественной активностью основных тектонических нарушений, определяющих строение Высокогорского месторождения. Аномальное же проявление подвижек на локальных участках провоцируют техногенные факторы - добыча и переработка полезного ископаемого, подработанность плоскостей тектонических нарушений подземными горными работами.

Так, в 1973 г. подвижки были зафиксированы по взбросо-сдвигу «Средний» в районе 21 геологического блока на горизонте -50 м. Подвижки прошли на небольшом участке и достигли 100 мм. В 2000 г. произошла новая подвижка, обнаруженная в горных выработках Восточно-Ревдин-ского участка ш. «Магнетитовая» на горизонтах -130, -210 и -370 м. Она сопровождалось толчками, ощущаемыми человеком. Подвижки по нарушению достигли 200 мм. В 2003 г. по этому же нарушению произошла подвижка в районе ш. «Первомайская», достигшая 100 мм. Визуально эти подвижки выражались в деформациях земной поверхности, появились

Рис. 2. План техногенных объектов, тектонических нарушений и наблюдательной станции г. Нижний Тагил: 1 - Высокогорское месторождение: 2 - Лебяжин-ский рудник; 3 - Тимано-Кокчетавская тектоническая зона; 4 - Турьинский разлом; 5 - Главный разлом

трещины в гражданских зданиях и сооружениях, а также в промышленных объектах. В результате произведенного в том же году визуального обследования капитальных горных выработок, пересекающих сбросо-сдвиг «Средний», выявлено, что происходящие по тектоническому нарушению динамические подвижки, проявляются в виде трещин и вывалов.

Процесс потери устойчивости и развития подвижек имеет характер цепной реакции. После подвижки и разгрузки одного участка, нагрузки концентрируются на соседних участках, вызывая через некоторое время нарушение устойчивости и на этих участках. Размеры новой области потери устойчивости и амплитуды подвижек могут постепенно увеличиваться по мере расширения области нарушенного равновесия и происходить как в зоне ведения горных работ, так и за ее пределами. Смещение же по одному из нарушений сопровождается, как правило, активизацией смежных тектонических нарушений.

Для исследования параметров подвижек в подземных выработках ш. «Магнетитовая» в местах их пересечения с основными тектоническими нарушениями были оборудованы наблюдательные станции. Наблюдательная станция представляют собой совокупность, контролируемых многократными маркшейдерскими измерениями, точек горного массива, закрепленных в натуре специальными знаками - реперами, обеспечивающими многократность измерений на участке. Профильные линии заложены таким образом, чтобы пересечение с тектоническим нарушением приходилось на средину линии и оба крыла нарушения контролировались наблюдениями. Наблюдения за подвижностью нарушений в подземных выработках дают чистые результаты геодинамических движений без сглаживания их параметров за счет блоковой структуры массива. Кроме того, влияние процесса сдвижения на результаты наблюдений минимальны.

Масштабность области техногенного влияния может вызвать нарушения равновесия и подвижки по тектоническим нарушениям, представляя опасность в шахтном поле для горных работ и капитальных выработок, а за его пределами на прилегающих территориях для жилых, общественных и промышленных объектов. Исследование параметров геодинамических движений на поверхности и влияния их на сохранность сооружений осуществляется с использованием существующей станции для мониторинга процесса сдвижения. Опасность активизации тектонических нарушений и возникновения подвижек по ним со-

стоит в концентрации деформаций на ограниченных участках. Поэтому для анализа подвижности тектонических нарушений используются те участки станции, которые пересекают выходы тектонических нарушений на поверхность.

Зоны распространения концентрированных подвижек могут выходить на значительные расстояния за пределы обычных границ опасных деформаций, развивающихся непосредственно от подземных разработок. Нижне-Тагильская градопромышлен-ная агломерация с 400-тысячным населением располагается в районе пересечения крупных, глубокого заложения, долгоживущих тектонических разломов -Тимано-Кокчетавская раз-ломная зона, разломы Туринский, Главный и Средний (рис. 2). Естественное напряженно-деформированное состояние этого массива нарушено техногенным воздействием от значительного объема горных работ на Высокогорском, Лебяжинском, Естю-нинском, Гальяновском и других месторождениях. Для исследования геодинамических движений в таком масштабе используются реперы государственной триангуляционной сети. При этом база измерений, осуществляемых методами спутниковой геодезии, составляет от 3 до 10 км [1].

Таким образом, наблюдательная станция, оборудованная в г. Нижний Тагил, для исследования параметров современных геодинамических движений, обусловленных как

естественной активностью, так и техногенными нагрузками, представляет собой трехуровневую структуру - в подземных горных выработках (первый уровень), на выходах тектонических нарушений на поверхность (второй уровень) и геодинамическую сеть района (третий уровень).

Цель, проводимых исследований современной геодинамической активности на Высокогорском месторождении, состоит в изучении:

• подвижности основных тектонических нарушений, определяющих

Рис. 3. Схема наблюдательной станции 3-го уровня и траектории смещения реперов за 2003-2007 гг.

Рис. 4. Направление современных геодинамических движений по основным тектоническим нарушениям Высокогорского месторождения

структуру Высокогорского месторождения;

• движений по основным тектоническим нарушениям, с разделением на естественные и техногенные составляющие;

• границ распространения современных подвижек.

Анализ, проводимых с 2002 г., инструментальных наблюдений с применением комплекса спутниковой геодезии и цифровых геодезических приборов позволили установить, что:

• область геодинамической активности основных тектонических нарушений Высокогорского месторождения, обусловленная техногенными факторами, выходит на поверхности за пределы зоны сдвижения и фиксируется на расстоянии до 3 км от горных работ (рис. 3);

• годовое колебание тектонических нарушений по деформационным показателям сопоставимо по величине с допустимыми деформациями для объектов I категории охраны (растяжение-сжатие 2Т0''3, наклон 4Т0''3) и с одинаковыми величинами фиксируется как на поверхности, так и в

горных выработках на глубине 400500 м;

• с 2002 г. до 2006 г. наблюдалось нарастание величин геодинамических движений, которое в 2007 г. сменилось стагнацией, а по результатам наблюдений 2008 г. величины движений стали снижаться, что свидетельствует о наличии колебательного цикла в параметрах геодинамических движений по основным тектонических нарушениям в г. Нижний Тагил;

• современная геодинамика определяет блоковое деформирование горного массива Высокогорского месторождения. Схема современных перемещений геоблоков (рис. 4) получена по результатам инструментальных наблюдений подземной наблюдательной станции и на поверхности. Горизонтальные перемещения пока однозначно не удается получить вследствие выраженного влияния зоны обрушения. Вертикальные же перемещения показывают, что центральные геоблоки 2 и 3 в настоящее время оседают, а дизъюнктивы «Средний» и Диагональный» работают как сброс и взброс, соответственно.

С продолжением наблюдений за геодинамическои активностью тектонических нарушений планируется:

• определить численные параметры области распространения геодинамических

• движений наведенных техногенными факторами;

• разделить геодинамические движения на естественную и техногенную составляющие.

• выявить области интенсивного изменения напряженно-деформированного состояния массива, как в пределах Высокогорского месторождения, так и в целом района г. Нижний Тагил.

1. Панжин А.А., Усанов С.В., Панжи-на А.А. Исследование геодинамических процессов с применением вРБ-технологий на горных предприятиях и урбанизированных

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

территориях / Состояние и перспективы развития маркшейдерского дела на Урале. -Екатеринбург, 2005. - С. 102-119. ЕИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_

Усанов Сергей Валерьевич - зав. лабораторией, e-mail: usv@igd.uran.ru,

Институт горного дела Уральского отделения РАН.

UDC 622.834.53

MONITORING OF GEODYNAMIC MOVEMENTS OF ROCKS UNDER LARGE-SCALE COMPLICATED MINING IMPACT IN THE VYSOKOGORSKY IRON ORE MINE

Usanov S.V., Head of Laboratory, e-mail: usv@igd.uran.ru, Institute of Mining of Ural Branch of Russian Academy of Sciences.

In article results of researches of geodynamic movements since 2002 at high technogenic loads are presented. Researches were spent at three scale levels: in underground workings, on a surface in the shift trough and on distances of 3-10 kilometers from the shift trough.

Key words: geodynamic movement, rock mass, tectonic faults, mining safety, production-made objects.

REFERENCES

1. Panzhin A.A., Usanov S.V., Panzhina A.A. Sostoyanie i perspektivy razvitiya marksheiderskogo dela na Urale (State-of-the-art and prospects of surveying in the Urals), Ekaterinburg, 2005, pp. 102-119.

A

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.