CC BY
47
Шувалов Ю.В., Михайлова Н.В., Бурлаков С.Д. — Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (Технический университет).
------------------------------------------- © Ю.П. Галченко, Л.И. Бурцев,
Г.В. Сабянин, 2005
УДК 622.502
Ю.П. Галченко, Л.И. Бурцев, Г.В. Сабянин
О МОДЕЛИ ТЕХНОГЕННО ИЗМЕНЕННЫХ НЕДР - КАК НОВОГО ЛИТОСФЕРНОГО ОБЪЕКТА
Семинар № 7
'И~¥ редельные масштабы техногенного
J.J. изменения недр определяются способностью геофизических структур локализовать область техногенного воздействия и, со временем, включить эту область в эволюционный процесс окружающего ее породного массива. Поэтому обеспечение геоэкологической безопасности при освоении недр связано с фундаментальной научной проблемой геомеханики по исследованию влияния техногенных нагрузок на процессы, протекающие в динамических структурах литосферы, и требует решения двуединой научной задачи, включающей в себя, с одной стороны - раскрытие закономерностей изменения свойств природных объектов литосферы при техногенном вторжении в них для получения минерального сырья, а с другой - определение условий постоянного воспроизводства при этом устойчивых динамических структур, при которых в литосфере не возникает и не возбуждается природных катастрофических явлений (грант РфФи № 04-05-64767).
Разработка модельных представлений о техногенном изменении части литосферы при промышленном освоении ее минеральных ресурсов требует формирования геофизического образа литосферы, как элемента планетарной геосистемы. Трансформируя в геофизику представления академика В.И. Вернадского о живой и косной материи, можно представить себе
технологически доступную сегодня часть литосферы, как оболочку из геодинамически "косной" материи, покрывающую геодинамически "живое" тело нашей планеты [1]. Безусловно, в литосфере происходят динамические явления различного масштаба и мощности, но, в рамках принимаемого нами допущения, эти явления не инициированы веществом литосферы, а представляют собой отражение (выражение) динамических процессов, происходящих в более глубоких зонах планеты. Такое допущение тем более необходимо потому, что решение задачи взаимодействия двух динамических систем (техногенно измененных недр и первичной литосферы) приобрело бы сложность излишнюю по отношению к технологически обусловленной точности определения конечных результатов.
Главной отличительной чертой геоэкологии при освоении недр, с целью получения части их ресурсов для развития современной цивилизации является объемный характер внешнего воздействия на окружающую среду. При этом активно нарушается состояние всех сфер Земли: литосферы, гидросферы, атмосферы, биосферы, а также антропосферы (сферы интересов человека) [2]. Наиболее масштабным изменениям в количественном и качественном смысле подвергается литосфера, часть которой извлекается на поверхность и включа-
1 у'
2 / у / \/ Система Б
Система А д / \
Расстояние
ЭЮ ІОН
ется в оборот вещества и энергии уже вне внутренне равновесной системы самой литосферы. Для создания модельного представления о техногенно измененных недрах можно воспользоваться терминами и понятиями теоретической экологии, трансформированными для конкретных условий геоэкологии освоения недр.
По аналогии со структурой зон техногенного поражения биоты, в состав зоны геоэкологических изменений (техногенно измененных недр) входят участки полного нарушения первоначального состояния участка (объема) литосферы, вплоть до его изъятия из ее состава. Это - объем техногенного поражения литосферы. Вокруг этого объема формируется пространство, в пределах которого материал литосферы сохраняет свое агрегатное состояние, но меняет механические свойства (плотность, напряженно-деформированное состояние и т.д.). Размеры и форма этого пространства определяются естественными свойствами материала литосферы и характером техногенных преобразований участка полного разрушения литосферы. Трансформируя для этих условий классическую триаду экологии (загрязнение - транзитная среда - депонирующая среда) [3] можно сформулировать следующее построение: разрушение некоторого объема первично равновесной литосферы приводит к искажению геофизических полей (загрязнение); через транзитную среду - поле тяготения Земли - это "загрязнение" передается в нетронутые участки литосферы и приводит их в новое напряженно-деформированное состояние (депонируется в них). Принятие такой схемы взаимодействия, по аналогии с теоретической экологией, означает наличие внешней границы у зоны загрязнения, на которой все загрязнение депо-
нировано элементами первичной системы. Таким образом, техногенно измененные недра можно представить, как некий объем, окруженный не измененной литосферой, внутри которого находится зона техногенного разрушения литосферы и зона спровоцированного этим разрушением изменения напряженно-деформированного состояния ее пород. Для построения модельного представления о зоне полного разрушения литосферы (объем, оставшийся после выемки полезного ископаемого) можно воспользоваться известной моделью движения плотност-ных неоднородностей в твердой среде в гравитационном поле Земли, представив процесс извлечения части литосферы, как процесс развития и движения неоднородностей с нулевой плотностью. Так как понятие "техногенно измененные недра" включают в себя также участки (объемы) литосферы, затронутые сопутствующими изменениями состояния горных массивов без изменения их плотности, то принципиальное значение приобретает вопрос о внешней границе этих сопутствующих изменений состояния, то есть - вопрос о границах нового техногенного литосферного объекта.
Задача о переходах между двумя системами с различными свойствами является классической задачей теоретической экологии, в которой есть понятие "экотона" - как зоны перехода между различными биологическими сообществами, в которой проявляются встречные влияния этих сообществ (см. рисунок) [4].
Как видно из рисунка, экотон представляет собой полосу на поверхности, в пределах которой свойства контактирующих систем вырождаются до нуля. Закон вырождения свойств, в каждом конкретном случае, будет определяться свойствами систем и характером их взаимодействия. По своему содержанию и структуре такая модель достаточно адекватно описывает процессы взаимодействия техногенно измененных недр с невозмущенной литосферой, но задача здесь приобретает трехмерный характер. То есть, техногенно измененные недра можно представить в виде замкнутого объемного лито-сферного объекта, ограниченного в пространстве двумя условными поверхностями "нулевого" влияния контактирующих систем. На внутренней поверхности не проявляется влияние невозмущенной литосферы, а на внешней - техногенно измененных недр.
При такой постановке проблемы, для определения основных параметров изучаемого горными науками литосферного объекта - техногенно измененных недр, необходимо дать представление об основном объекте геомеханики - породном массиве в трех его состояниях:
• в невозмущенной литосфере;
• в зоне прямого техногенного воздействия;
• в зоне искажения геофизических полей (зоне перехода свойств - экотон).
Исходя из существующих представлений о физической модели твердого тела и о физических постулатах механических моделей, для описания невозмущенной литосферы можно воспользоваться предложенными и разработанными проф. В. Н. Родионовым и др. представлениями о твердом теле со структурой [5]. Согласно этим представлениям твердое тело является некоторой идеальной сплошной средой, деформации которой под действием внешних сил полностью обратимы, если только внутренние напряжения не превышают своих предельных значений, характеризующих прочность данного тела. Вместе с тем в твердом теле рассеяны равномерно по объему разномасштабные неоднородности, и расстояния между неоднородностями каждого размера много больше их собственного размера. Эти неоднородности ответственны за необратимые деформации: на них напряжения концентрируются и, со временем, релаксируют.
При любой заданной скорости деформации диссипация энергии деформирования осуществляется неоднородностями только одного размера (точнее в узком интервале размеров), так как на более мелких неоднородностях напряжения быстро релаксируют, а на крупных не успевают релаксировать.
Напряжения внутри твердого тела складываются из двух компонентов: упругих напряжений, вызванных изменением объема или обратимыми искажениями формы однородной среды, и локальных напряжений на неоднородностях, которые ответственны за необратимые деформации в твердом теле. Упругие напряжения для однородного материала обычно связывают с обратимыми деформациями линейной зависимостью (закон Гука). Избыточные напряжения на неоднородностях (или их эквивалент - неупругие напряжения) возникают лишь при конечной скорости деформирования твер-
Принципиальная схема формирования зоны перехода свойств (экотона) на контакте двух различных систем: 1 - закон вырождения свойств системы А; 2 - закон вырождения свойств системы Б
дого тела и со временем самопроизвольно ре-лаксируют. Скорость релаксации напряжений на неоднородности пропорциональна величине напряжений и обратно пропорциональна размеру неоднородности.
Состояние породного массива в зоне прямого техногенного разрушения определяется особенностями процессов извлечения полезных ископаемых, то есть - набором необходимых для этого неизбежных действий (грант РФФИ № 02-05-64562). Если отвлечься от частностей, то для осуществления главной целевой функции добычи минерального сырья - включения части ресурсов литосферы в оборот вещества и энергии техносферы, необходимо обеспечить доступ с земной поверхности к месту залегания полезного компонента, придать этому компоненту подвижность и выдать его в этом состоянии на поверхность Земли. Таким образом, обобщенная функциональная модель техногенного изменения недр при добыче минерального сырья включает в себя три обязательных этапа:
• доступ с поверхности к месту дислокации в литосфере участка с полезными свойствами;
• придание подвижности полезному компоненту, залегающему в литосфере;
• выдача полезного компонента в подвижном состоянии на поверхность Земли.
При строительстве подземных сооружений, когда полезным компонентом является пустота (создаваемые полости), схема остается в принципе такой же, но на втором этапе подвижность придается не полезному компоненту, а материалу литосферы, заполняющему будущую полезную полость. Этот же материал выдается на поверхность на третьем этапе.
Применительно к проблеме добычи полезных ископаемых, в рамках ее функциональной модели не существует качественных различий между открытым и подземным способом разработки месторождений. Разница между ними заключается только в величине соотношения размеров горизонтального сечения выработок доступа (Бд) и отрабатываемого участка литосферы (Бот): Бд > Бот - открытая разработка;
Бд < Бот - подземная разработка (включая скважинную добычу флюидов).
Новое для вещества литосферы свойство -подвижность может быть обеспечена в рамках применяемых геотехнологий либо путем дезинтеграции этого вещества в заданном объеме (большая часть твердых полезных ископаемых), либо путем изменения его агрегатного состояния (например, выплавка серы), либо путем создания условий для миграции полезного компонента: физических (нефть, газ, вода, тепло); или химических (выщелачивание металлов на месте залегания).
Применительно к первому случаю, все многообразие технических и технологических решений, используемых при освоении месторождений твердого минерального сырья можно объединить в несколько групп, каждая из которых по своему влияет на изменение свойств природных объектов литосферы, характеризуется своими геомеханическими параметрами, динамикой и масштабами последствий техногенного вторжения в литосферу.
Для каждой из этих групп характерны свои, только ей присущие способы техногенного изменения свойств участков литосферы, включающих месторождения минерального сырья и свои последствия при восстановлении равновесия в техногенно измененных участках недр после завершения процессов добычи полезных ископаемых. Характерные особенности каждой из этих групп, отражающие динамику изменения параметров и свойств техногенно измененных недр, могут быть с успехом использованы для разработки обобщенных моделей техногенного вторжения в природные объекты литосферы и прогноза последствий такого вторжения и динамики или механизма воспроизводства устойчивых динамических структур окружающей среды после завершения этого вторжения.
К первой группе относятся технические и технологические решения, связанные с образованием полостей различной конфигурации в недрах литосферы обладающих природной способностью противостоять возмущению исходного природного поля напряжений, вызванному образованием таких полостей. Возникающие на контуре выработок напряжения и деформации со временем релаксируют без заметного влияния на состояние окружающего массива. Время существования таких выработок исчисляется столетиями и они не вызывают сколько-нибудь заметных изменений в окру-
жающих их природных объектах (образованиях) литосферы.
Развитие возмущений в литосфере при таком способе техногенного воздействия ограничивается поверхностными изменениями на контуре выработок и оставленных несущих опор, а вся картина перераспределения напряжений исходного поля охватывает незначительную часть массива, непосредственно прилегающую к выработанному пространству. Поведение таких выработок хорошо описывается классическими задачами теории упругости.
Ко второй группе относятся наиболее распространенные в угольной промышленности, черной и цветной металлургии, на предприятиях химической промышленности технологии добычи минерального сырья с обрушением налегающей толщи пород. Различные модификации этого способа разработки применяются при выемке пологих, наклонных и крутых залежей любой формы начиная с поверхности и до глубин, исчисляемых тысячей и более метров. Основной отличительной чертой этих технологий является обязательное обрушение налегающей толщи пород вслед за выемкой полезного ископаемого. Отработка месторождения осуществляется планомерно сверху вниз при выемке крутопадающих или наклоннопадающих рудных тел или пластов, либо от центра к флангам или от одного фланга к другому - при выемке пологих залежей или плайоцелом модель техногенного вторжения такого рода может рассматриваться, как объем определенных размеров, изменение которого сопровождается необратимыми процессами в ближней зоне и последующим уплотнением этой зоны за счет распространения процессов неупругого расширения (разрушения) пород вглубь массива. Границы зоны техногенного изменения пород литосферы при этом определяются условием достижения равновесия между величиной реакции бокового распора нетронутого массива и отпором, создаваемым обрушенными и уплотненными породами зоны обрушения.
Третья группа технологий разработки месторождений минерального сырья связана с процессом заполнения выработанного пространства по мере выемки полезного ископаемого искусственно получаемым материалом с определенными прочностными и деформационными свойствами. Иногда, для уменьшения величины деформаций налегающей толщи по-
род и сокращения затрат на создание искусственного материала с необходимыми прочностными и деформационными свойствами, в выработанном пространстве оставляются регулярные вертикальные целики, работающие за пределом прочности. Будучи размещенными в массиве закладки они выполняют своеобразную роль арматуры, изменяя деформационные свойства материала, заполняющего выработанное пространство.
Для описания состояния породного массива в зоне перехода свойств (геофизический экотон) от невозмущенной литосферы к зоне прямого техногенного воздействия наилучшим образом подходит предложенная в работах [5,6] статическая модель деформирования твердого тела со структурой при создании в нем полости путем постепенной выемки материала.
Из приведенного выше общего качественного анализа поведения твердого тела с неоднородностями следует, что рассматриваемая задача должна распадаться на две, соответствующие разным временным интервалам.
На первом этапе, по мере спада давления в окружающей полость среде, помимо упругих появляются неупругие напряжения как резуль-
1. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. - М.: Наука, 1989, 262 с.
2. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Бурцев Л.И. Охрана окружающей среды при освоении земных недр//Вестник РАН. - Т. 68, № 7. - 1998. - С. 629-637.
3. Одум Ю. Основы экологии. - М.: Мир, 1975, 331 с.
тат концентрации напряжений на неоднородностях. Эти напряжения достигнут наибольших значений, когда деформирование среды, вызванное спадом давления, закончится.
На втором этапе после снижения давления в полости до нуля перестройка напряжений и деформаций в среде задается релаксацией избыточных неупругих напряжений, накопленных на неоднородностях. По мере релаксации избыточных напряжений полные напряжения должны стремиться к значениям, которые следуют из решения подобной задачи для идеально упругой среды [5, 6].
Применительно к поставленной общей проблеме решение этих задач при каждом конкретном сочетании свойств литосферы и характера антропогенного преобразования ее хозяйственно ценных участков даст представление о закономерностях изменения состояния и свойств породного массива в зоне геофизического экотона (перехода свойств), возникающей в естественной геофизической среде при техногенном нарушении общего динамического равновесия в процессе освоения недр.
----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Мандер Ю.Э., Якомяги Ю.Э., Сультс Ю.А. Об
экологической оптимизации руральных террито-
рий//Доклады VII съезда Географического общества СССР. - Л., 1980. - 320 с.
5. Родионов В.Н., Сизов И А., Цветков ВМ. Основы геомеханики. - М., Недра, 1986, 300 с.
6. Родионов В. Н. Очерк геомеханики. - М.: Научный мир, 1996, 64 с.
— Коротко об авторах -------------------------------
Галченко Ю.П. - доктор технических наук, чл.-корр. РЭА, Бурцев Л.И. - кандидат технических наук,
Сабянин Г.В. - горный инженер,
Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
