О влиянии природно-климатических и техногенных факторов на развитие механо-эрозионных и сейсмоэмиссионных процессов в окрестностях угольных разрезов Кузбасса Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2019;(9):72-101

УДК 550.3 + 622 DOI: 10.25018/0236-1493-2019-09-0-72-101

о влиянии природно-климатических и техногенных факторов на развитие механо-эрозионных и сейсмоэмиссионных процессов в окрестностях угольных разрезов Кузбасса

В.Н. Опарин1, В.В. Адушкин12, В.Ф. Юшкин1, В.П. Потапов13

1 Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, Новосибирск, Россия, e-mail: [email protected] 2 Институт динамики геосфер РАН, Москва, Россия, 3 Институт вычислительных технологий СО РАН (Кемеровский филиал), Кемерово, Россия

Аннотация: Дан анализ особенностей развития природно-техногенной сейсмичности как по центральной части Кузбасса, так и по отдельным угольным разрезам. Оценка влияющих факторов такой сейсмичности связана в основном с развитием глубинных разломов. Рассматриваются локальные разрушения и переформирование бортов карьеров и угольных разрезов, обусловленные геолого-структурным строением разрабатываемого месторождения, рельефом местности, особенностями климатических факторов, условий залегания грунтов и коренных пород, водотоков, технологиями ведения вскрышных и добычных работ, наличием породных обнажений по глубине горных выработок при отсутствии бокового отпора, а также причины их взаимосвязи и механизмы развития. Научные исследования в ИГД СО РАН и практика ведения открытых горных работ показывают, что перечисленные факторы решающим образом влияют на развитие деформационно-волновых процессов в бортах и уступах карьеров и угольных разрезов, вызывая локальные разрушения по глубине массива при слабом боковом отпоре на обнажениях, что способствует развитию сейсмических событий, переходящих в стадию «роевых потоков» низкого энергетического класса и мелко-фокусных землетрясений в районах концентрации горных работ. Сформулированы новые задачи перспективных научных исследований взаимосвязи отмеченных природно-техногенных факторов с развитием механико-эрозионных, деформационно-волновых и сейсмических процессов по глубине бортов и уступов карьеров и угольных разрезов при отсутствии бокового отпора на обнажениях пород на базе применения комплексных мониторинговых систем контроля нелинейных геомеханических процессов.

Ключевые слова: угольный разрез, осадочные породы, природно-климатические условия, трещины, глубинный разлом, горные работы, механико-эрозионные и сейсмические процессы, геомеханический мониторинг.

Благодарность: Работа выполнена в рамках реализации проекта Российского научного фонда № 17-17-01282

Для цитирования: Опарин В. Н., Адушкин В. В., Юшкин В. Ф., Потапов В. П. О влиянии природно-климатических и техногенных факторов на развитие механо-эрозионных и сейсмоэмиссионных процессов в окрестностях угольных разрезов Кузбасса // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2019. - № 9. - С. 72-101. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-090-72-101.

© В.Н. Опарин, В.В. Адушкин, В.Ф. Юшкин, В.П. Потапов. 2019.

Influence of natural climate and mining-induced impact on mechanical erosion and seismic noise in the areas of open pit coal mines in Kuzbass

V.N. Oparin1, V.V. Adushkin1'2, V.F. Yushkin1, V.P. Potapov13

1 Chinakal Institute of Mining of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630091, Novosibirsk, Russia, e-mail: [email protected] 2 Institute of Geosphere Dynamics of Russian Academy of Sciences, 119334, Moscow, Russia 3 Institute of computer technology, Kemerovo branch, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 650025, Kemerovo, Russia

Abstract: The features of the natural-and-induced seismicity are analyzed in the center of Kuzbass and at individual open pit coal mines. The influential factors of such seismicity are mostly connected with development of deep faults. Local destruction and transformation of coal pit walls is conditioned by geological structure of coal deposits, relief of terrain, climatic factors, modes of overburden and bed rock occurrence, water flows, technologies of overburden removal and actual mining, availability of rock exposures in depth of excavations in the absence of lateral earth pressure coefficient, as well as their interaction and mechanisms. The scientific research implemented at the Institute of Mining, SB RAS and the open pit mining practice shows that the listed factors have decisive effect on deformation-wave processes in coal pit walls and cause local destruction in depth of rock mass under weak lateral earth pressure at exposures. As a consequence, seismic events build up and pass to the stage of low-energy swarming flows and small-focus earthquakes in the concentration areas of mining activities. New objectives are formulated for the advanced research of the interaction between the mentioned natural/ induced factors and mechanical erosion, deformation-wave and seismic processes in depth of pit walls in the absence of lateral earth pressure at exposures based on the integrated monitoring of nonlinear geomechanical processes. Key words: open pit coal mine, overburden, natural climatic conditions, fractures, deep fault, mining, mechanical erosion and seismic processes, geomechanical monitoring. Acknowledgements: The study was supported by the Russian Science Foundation, Project No. 17-17-01282.

For citation: Oparin V. N., Adushkin V. V., Yushkin V. F., Potapov V. P. Influence of natural climate and mining-induced impact on mechanical erosion and seismic noise in the areas of open pit coal mines in Kuzbass. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2019;(9):72-101. [In Russ]. DOI: 10.25018/02361493-2019-09-0-72-101.

Введение

Известно [1, 2], что сейсмичность Кузбасса, начиная с 60-х годов прошлого века, носит сложный природно-техно-генный характер, переходящий с конца 80-х гг. в стадию с «роевыми потоками» сейсмических событий низкого энергетического класса и мощными мелко-фокусными землетрясениями в районах концентрации горных работ, прежде всего, вблизи глубоких протяженных угольных разрезов. Значительным проявлением такого типа сейсмичности считается, например, землетрясение 18.06.2013 г.

с магнитудой М1 = 6.1 и координатами эпицентра (54.18° с.ш., 86.14° в.д.) с последующими динамическими событиями, попадающими на борт одного из близлежащих разрезов.

Предполагается [2], что сейсмическая активность вблизи угольных разрезов в большей мере связана с глубинными разломами, относительно слабо проявляющимися в верхних слоях земной коры и рельефе местности. Это свидетельствует об ускорении их развития на поверхности земли под воздействием природно-техногенных факторов и требует прове-

дения более детальных исследований для конкретизации и оценки влияния дефектности породного массива на особенности проявления природно-техно-генной сейсмичности вблизи угольных разрезов, установления признаков нарастания активизирующихся зон сейсмичности в их бортах для обеспечения технологической безопасности ведения горных работ при добыче твердых полезных ископаемых.

О природно-техногенной

сейсмичности в Кузбассе

Проблема техногенного влияния на развитие сейсмических процессов в земной коре — одна из важнейших в геомеханике. К настоящему времени считается установленным, что заполнение водохранилищ и закачка жидкостей в подземные полости могут инициировать сейсмические процессы [1—5] в окрестном массиве, однако механизмы влияния горных работ на возникающие сейс-моэмиссионные процессы являются достаточно дискуссионными [6—17]).

Наблюдения на месторождениях твердых полезных ископаемых в Кузбассе показали, что с ростом объемов извлеченной и перемещенной горной массы и объемов ведения взрывных работ происходит рост техногенной составляющей сейсмичности. Увеличение количества техногенных сейсмических событий, начиная с 60-х годов прошлого века, ускорилось после 80-х гг. [1, 18].

Согласно картам сейсмического районирования ОСР-97 [19] Кемеровская область относится к регионам с умеренной сейсмической активностью, в северной части которой средний период повторяемости землетрясений с интенсивностью 7 баллов оценивается в 5000 лет, в южной — в 500—1000 лет. Существенные изменения сейсмической обстановки в Кузбассе, наблюдаемые с 60-х годов прошлого века, указывают на рост сейс-

мической опасности, уровень которой недооценивается до настоящего времени. Фиксируемая ранее в Кузбассе энергетика техногенных сейсмических событий, как правило, была невелика (энергетический класс K < 8—9), однако в 80-е годы достигла 8—9 класса, превысив количество естественных сейсмических событий [1, 2].

Вклад техногенной составляющей по единичным сейсмическим событиям оценить достаточно сложно, так как для большей части из них гипоцентры (5—15 км) в большей мере отвечают «естественным» сейсмическим событиям региона (10— 50 км), чем «техногенным» (0,5—3 км). Тем не менее, они тяготеют к местам интенсивного ведения горных работ и, следовательно, не исключено влияние техногенных факторов. Их вклад можно оценивать по двум фазам сейсмической активизации недр, наблюдаемым на горных отводах угольных шахт Осинники и Полысаево в Кузбассе в 2005 и 2007 гг. [20, 21]. Эти явления носили форму «роевых» (близкорасположенных друг к другу) потоковых (чередующихся во времени) сейсмических событий низкого энергетического класса, с неглубокими гипоцентрами. Несмотря на малые глубины, такие события при их небольшой мощности, тем не менее, создавали «ощутимые» колебания в эпицентральной области, а многократные воздействия от них приводили к повреждениям объектов производственной инфраструктуры.

В представленных в [2] каталогах сейсмических событий, особенно за 1998— 2000 гг., показано весьма неравномерное их распределение по различным временным периодам (дням недели, времени суток, др.). Оказалось, что основная часть регистрируемых сейсмических событий приходилась на временные периоды, когда производились массовые взрывы на угольных разрезах, или через 1—3 ч после них.

7 13 19 [ 7 13 14 I 7 13 19 1 7 13 19 1 Часы (в течение недели)

Рис. 1. Распределение сейсмических событий (1) и массовых взрывов (2) на угольных разрезах Кузбасса в течение недели по [2]. Распределение количества взрывов (внемасштабно) приведено по усредненным данным за последнее десятилетие

Fig. 1. Distribution of seismic events (1) and mass explosions (2) at open pit coal mines in Kuzbass during a weak (by [2]). Distribution of blasts (off-scale) is given by averaged data over the period of the last ten years

Распределение, представленное на рис. 1 по данным [2], указывает на то, что основная часть сейсмических событий вблизи разрезов происходит непосредственно за промышленными взрывами и их некоторой «растянутостью» во времени, аналогично отмеченному ранее при отработке Таштагольского рудного месторождения [1].

Однако отмеченная «аналогия» имеет более глубокую геомеханическую связь, отраженную в свое время при описании открытий явления знакопеременной реакции горных пород на взрывные воздействия и нелинейных упругих волн маятникового типа [1]. Здесь ограничимся лишь одним результатом из описанных в [1], иллюстрируемым на рис. 2, и имеющим непосредственное отношение к интерпретации «бимодальной» структуры соответствующих графиков на рис. 1: статистически закономерное смещение (1—3 ч) во времени модальных значений количества регистрируемых сейс-мособытий непосредственно в периоды проведения технологических взрывов и, соответственно, после них.

Есть основания полагать, что такого рода закономерности могут существенно использоваться как критериальные в

технологиях разделения сейсмособытий по видам их происхождения и механизмам реализации во времени и пространстве. Как свидетельствует рис. 2, на самом деле картина распределения сейсмособытий в общем виде может иметь полимодальную структуру для сравниваемых на рис. 1 групп сейсмособытий.

Действительно, как показано на рис. 2, характер изменения во времени t расстояния г очагов индуцируемых сейсмических событий от центров взрываемых блоков на руднике «Таштагольский» и их локализации в пространстве проявляет полимодальную структуру, свидетельствующую о двух основных моментах:

а) «возвратно-поступательном» движении индуцированных взрывами сейсмо-событий во времени и пространстве до определенного расстояния вглубь массива;

б) размерах геоблоков (~10 м), трансляционные и вращательные движения которых в стесненных условиях напряженных породных массивов вокруг образуемых камер сопровождаются во времени и пространстве проявлением соответствующих сейсмособытий.

Аналитический аппарат и его смысловая «нагрузка» для построения графиков

Рис. 2. Характерное изменение во времени расстояния до очагов индуцированных сейсмособы-тий от центра взрываемых блоков (а) и гистограмма распределения ординат экспериментальных точек сканирующих функций r(t, т) для совокупности взорванных блоков (б) при т = 5 ч [1]

Fig. 2. Characteristic time variation in the distance from center of blasted block to foci of induced seismic events (a) and distribution bar chart for ordinates of experimental points of scanning functions rE(t,) for the set of blasted blocks (b) at т = 5 h

сеисмоэнерговыделения от взрывных воздействий в породных массивах, в т.ч. для сканирующей функции гЕ(^, подробно описаны в [1]. Здесь лишь отметим важную роль этой функции как характеристики приведенного центра сейсмического энерговыделения от источников возбуждения волн маятникового типа — аналога центра масс в классической механике:

цией в промежутке времени ^ — т, А после взрывания заданного технологического блока с координатами его центра (х0, у0, 10) в декартовой системе координат в момент ^ ^ > ^ + т); N(t, т) — число зарегистрированных событий за заданный временной интервал т;

r =

[(X,

- Xr

)2 + (У, - У0)2 + (z, - zo

1/2

rE (t, т) = -

r,E,

Щ

'(Z Г Ei

в дискретном представлении

К (t, т) = - rE (t, т) dt

(1)

(2)

Q( х) =

(3)

где E. — энергия i-го динамического события, зарегистрированного сейсмостан-

(х., у,, I.) — координаты /-го динамического события; функция й(х) определяется соотношением

[1, X = 0,

х ф 0.

При достаточно большой выборке статистических данных приведенные формулы можно использовать и покоординатно, что позволяет учесть как элементы

анизотропии механических свойств массивов горных пород, так и неизометрич-ность образуемых подземных полостей. Формулы (1) и (2) можно интерпретировать, соответственно, как положение приведенного центра индуцированного сейс-моэнерговыделения массивов горных пород относительно эпицентра взрывного воздействия на заданный момент времени t и скорость его смещения.

В работе [1] эти обстоятельства использовались для определения кинематических характеристик движения «низкоскоростной» группы волн маятникового типа с их вещественными носителями — геоблоками диаметрами около 10 м при образовании подземных камер (~27х *70*60 м3) рудника Таштагольский массовыми взрывами с расходом взрывчатого вещества (ВВ) от 115 до 300 т (энергией до 1012 Дж). Как оказалось, в данном случае среднее значение скоростей этой группы волн составило примерно 25 м/ч, а практически весь «шлейф» индуцированных взрывами сейсмосо-бытий охватывается сферой радиусом ~300 м за пределами образуемых камерных полостей. Это в 8—9 раз превышает радиус сферы, аппроксимирующей образуемое камерное пространство.

Как видно из рис. 2, б, основной «шлейф» индуцированных массовыми взрывами сейсмособытий (в количественном отношении!) ограничен их удалением от границ камерных пространств до 30—40 м. С учетом средней скорости маятниковой группы волн в 25 м/ч это удаление ими преодолевается за примерно 1,2—1,6 ч. Что, собственно, и соответствует порядку величин в интервалах «задержки» между группами сейсмо-событий, отраженных на рис. 1.

Приведенный пример, по существу, иллюстрирует практическую значимость обнаруженного ранее «эффекта дальнодействия» подземных взрывов М.А. Садовским и В.В. Адушкиным — о поряд-

ковом превышении радиуса локальных механических проявлений необратимого характера к радиусу зоны мощного взрывного разрушения массивов горных пород, подробно обсуждаемого в работе [1]. Таким образом, выполненный выше сравнительный анализ структуры графиков на рис. 1 и 2 свидетельствует о необходимости более основательного изучения и количественного описания причинно-следственных связей обсуждаемых процессов в условиях применяемых технологий ведения открытых горных работ.

На «смешанный» характер сейсмического режима с преобладанием техногенной составляющей особенно (!) указывает и бимодальное — сезонное — распределение сейсмических событий по месяцам, с весенней и декабрьской модами.

Одним из аргументов, установленным в [2], является вариация количества сейсмических событий по недельным циклам в течение года: здесь наблюдается невысокая для «природной сейсмичности» и заметно большая — для «техногенной» (коэффициент вариации, с исключением января и летних месяцев, в разные годы составлял 0,38—0,45).

По аналогии с влиянием на сейсмичность заполнения водохранилищ наблюдается возрастание доли и количества слабых землетрясений, обусловленных техногенными факторами горного производства, и снижение количества крупных событий при неизменном потоке сейсмической энергии [3, 8]. Такая аналогия существенна, если учитывать перемещения значительных объемов горной массы в отвалы, расположенные вблизи угольных разрезов, которых в целом по Кузбассу более 40. Здесь повторяемость серий «смешанных» сейсмических событий можно рассматривать суммарно для «естественной» и «техногенной» сейсмичности.

Положения эпицентров сейсмических событий [20] за последние годы свидетельствуют также в пользу существования крупных региональных разломов как субмеридионального, так и субширотного простирания. Характер группирования сейсмических событий в кластеры показывает усиление «стягивания» зон их концентраций к местам ведения горных работ [20—23], прежде всего к угольным разрезам. При этом положение эпицентров динамических событий, сконцентрированных вблизи угольных разрезов, не проявляют четкой картины ее ассоциированности с тектоническими структурами.

Скрытые тектонические разломы, выделяемые по координатам сейсмических событий, сопоставленные с географическими данными по глубинным разломам Кемеровской области, представлены в [24, 25]. Крупные разломы, в том числе субмеридионального и субширотного простирания, заметны на мелкомасштабных космических снимках, где более отчетливо видны линеаменты направлений WSW — ENE и SSW — NNE. Отдельные участки разломов просматриваются и в топологических особенностях речной сети. Так, например, изгибы р. Томь и ряда рек, в том числе Чумыш и Кара-Чумыш южнее Прокопьевска, а также Мереть 2-я в Ленинск-Кузнецком районе указывают на возможность существования протяженного тектонического разлома практически субмеридионального направления.

Как показано в [2], природно-техно-генная сейсмичность в Кузбассе в своем развитии достигла «второй стадии», когда кроме естественно-природных землетрясений и мелкофокусных техногенных сейсмических событий, в районах ведения горных работ все чаще наблюдается «третий тип» сейсмической активности — роевые сейсмические события и относительно мощные землетрясения,

эпицентры которых могут быть приурочены к глубинным «прорастающим разломам» — аналогам горно-тектонических ударов. Основным инициатором таких землетрясений служит накопленная тектоническая энергия, однако время и место ее сброса существенно зависят от техногенных событий. При этом сейс-мопроявления зависят также от условий ведения горных работ и отражают:

• «региональное» воздействие, охватывающее либо весь район ведения горных работ, либо значительную его часть. Это проявляется в изменениях характера графика повторяемости, а также в чередовании проявлений активности различных сейсмических зон и глубоких разломов;

• локальное воздействие зон концентрации горных работ на близко расположенные участки разломов, прежде всего в угольных разрезах, где проводятся массовые взрывы, инициирующие сброс сейсмической энергии именно в этих зонах.

Собенности в развитии сейсмической активности, характерные для территорий угольных разрезов в центральной части Кузбасса

Особенности развития сейсмической активности рассмотрены на территории угольных месторождений в центральной части Кузбасса, разрабатываемых угольными разрезами, крупными как по размерам и глубине отработки, так и по объемам концентрации разрушенной горной массы в прилегающих местах складирования вскрышных пород. Совокупная добыча угля в таких разрезах составляет десятки миллионов тонн в год. По результатам обширных сейсмических наблюдений в Кузбассе [2, 12, 13, 17, 18, 20—23, 26, 27], в районах ведения открытых горных работ на территориях разрезов установлены проявления

как наведенной сейсмичности, которые подробно проанализированы в [2, 27], так и представленные землетрясениями с сопутствующими событиями малых энергий, а также кратковременными мощными активизациями.

По данным геофизических наблюдений на территориях разрезов наряду с крупными землетрясениями установлено существование сейсмической активности на уровне малых энергий. Выявлено, что слабые землетрясения концентрированы под центральной частью разреза, сильные — около его бортов, при этом глубина очагов достигает 3—4 км. Из общего числа зарегистрированных сейсмо-событий в [27] были выделены как про-

мышленные взрывы, так и слабые землетрясения. В 2012 и первой половине 2013 гг. в районе разрезов произошли ощутимые землетрясения (три за полтора года). Так, 9 февраля 2012 г. в 13:24 по итс (в 20:24 местного времени) было зарегистрировано сейсмическое событие с локальной магнитудой М1 = 4,3 и координатами эпицентра (54.28° с.ш., 86.15° в.д.), попадающими на борт разреза. Это событие вызвало ощутимые сейсмические колебания в ряде населенных пунктов Кемеровской области.

На рис. 3, а показано распределение зарегистрированных событий по часам суток вне зависимости от конкретного дня [27]. Согласно приведенным здесь

а)

я и

иЭ

ю о и

о a и

0 а>

я

1

б)

i

со £

0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Время, ч

3.5 3 2.5 2 1.5 1

0.5 0

¿А »

*—/> \

с* -

t ^ »

и'

А

Время, ч

0:00 3:0О ft:0U 4:00 12:00 15:00 18:00 23:00

Рис. 3. Количество сейсмособытий в зависимости от времени суток (а) и их развертка по магни-тудам (б) за период 2 марта —14 мая 2012 г. по [27]

Fig. 3. Number of seismic events versus time of day (a) and their magnitude weep (b) over the period from March 2 to May 14, 2012 (by [27])

данным, большая часть сейсмических событий была зарегистрирована с 12:00 до 19:00 ч местного времени. Именно в это время осуществлялись промышленные взрывы, однако сейсмические события около разрезов фиксировались круглосуточно. В ночное время их количество существенно уменьшалось, но поскольку взрывные работы в эти часы не проводились, то такими событиями могли быть и землетрясения.

На рис. 3, б каждое сейсмособытие в координатах «энергия — время суток» обозначено точкой. Видно, что в дневные часы изменяется не только количество сейсмособытий, но и повышается их энергия. Сейсмическая энергия большинства взрывов в разрезе (интервал времени 13:00—19:00) соответствовала диапазону магнитуд 1—4. Ночные сейсмические события, зафиксированные в рассматриваемый период (2 марта — 14 мая 2012 г.), обладали меньшей энергией (М1 = 0,4—2).

В [27] приведена также карта мест проведения промышленных взрывов; на рис. 4 (см. Приложение, с. 99) показана карта эпицентров зарегистрированных слабых землетрясений. Их сопоставление позволило обнаружить проявления наведенной сейсмичности в окрестности склона восточного борта, поскольку наиболее мощные взрывы в период наблюдений проводились в центральной части угольного разреза. Магнитуда взрывов изменялась в основном в пределах М1 = 2,5—3, а у землетрясений — М1 = 0,5—2. Землетрясений с магнитудой ML = 2—3 показано на рис. 4 не более трех. Корреляция эпицентров промышленных взрывов и слабых землетрясений проведена с учетом координат мест зарегистрированных сейсмособытий. При этом положение эпицентров слабых землетрясений, сконцентрированных вблизи угольного разреза, позволяет отметить наличие пространственной связи сейсми-

ческой активности с тектоническими структурами как разломной зоны, так и бортов угольного разреза.

В [2, 27] достаточно детально рассмотрен ход развития сейсмической активности в районах угольных разрезов в центральной части Кузбасса за период 2012—2013 гг., когда вблизи некоторых разрезов зарегистрированы несколько крупных землетрясений, хотя до этого времени район оценивался как относительно спокойный в сейсмическом отношении. Землетрясения были приурочены к бортам разрезов с удалением в пределах 2—4 км от их границ, имели практически идентичное расположение эпицентров (в пределах точности локации их очагов).

Исследователи квалифицировали эти события неоднозначно: как естественные землетрясения, спровоцированные ведением горных работ; либо как техногенные землетрясения с малой глубиной расположения гипоцентров.

Основания для такого вывода включали [7]:

• наличие афтершоков после основного сейсмического события и последующих более слабых землетрясений, происходивших в течение периода наблюдений, что указывает на усиление сейсмической активности в зоне эпицентра;

• вступление продольной волны в фазе растяжения, что не характерно для промышленных взрывов на расстояниях до 40 км;

• четко выраженные фазы вступления поперечной и поверхностной волн, что характерно для мелкофокусных землетрясений, но не для промышленных взрывов;

• высокий энергетический класс сейсмических событий, существенно превышающий сейсмическую энергию промышленных взрывов (энергетический эквивалент самого мощного воздействия

от взрыва по массе взрывчатого вещества (ВВ) составлял порядка 600 т);

• отсутствие источника промышленного взрыва по данным экспертизы Рос-технадзора.

Активизация сейсмических проявлений вблизи некоторых угольных разрезов центральной части Кузбасса, хотя и обусловлена ведением открытых горных работ, однако конкретные связи структур прилегающих массивов с единственными проявлениями сейсмических активизаций не исследовались и практически не установлены, а положение эпицентров событий, сконцентрированных в бортах разрезов, не дает достаточно четкой картины, к каким тектоническим структурам относится сейсмическая активность, поэтому вклад техногенной составляющей по сейсмическим событиям и глубине очагов их проявлений оценить достаточно сложно.

В работах [2, 28] сделан основной акцент на связь техногенных сейсмических активаций в бортах разреза с влиянием глубинных разломов. Однако факторы, связанные с локальными разрушениями и переформированием бортов и уступов, обусловленные геолого-структурным строением разрабатываемого месторождения, рельефом местности, особенностями залегания грунтов и пород, водотоками, климатическими условиями региона, технологиями добычи сырья, наличием протяженных обнажений пород при отсутствии бокового отпора по глубине разреза, практически не рассматриваются.

В этой связи авторами настоящей работы предпринята попытка проанализировать возможные взаимосвязи перечисленных факторов с развитием механо-эрозионных и техногенно-сейсмических процессов в бортах угольных разрезов, оценить их связь с влиянием глубинных разломов, поставить задачи необходимых исследований.

Геологическое строение, тектоническая, природно-климатическая и гидрологическая характеристика района угольного месторождения

Геологическое строение. Горные отводы угольных разрезов в северо-западной и центральной части Кузнецкого бассейна располагаются на полях геологических участков, сложенных четвертичными отложениями. Поля горных отводов, расположенных на месторождениях угля в северо-западной части, приурочены к зоне складчатого пояса предгорий Сала-ирского кряжа, представляют изолированную от основной площади бассейна брахисинклинальную складку [28—30]. В пределах полей разрезов складчатой зоны выделены отложения верхнебала-хонской подсерии верхнепермского возраста, включающей (в стратиграфической последовательности сверху вниз) Усятскую, Кемеровскую и Ишановскую свиты.

Усятская свита содержит ряд пластов общей мощностью 150 м, рабочая угленосность — 9%. Литологический состав вмещающих пород характеризуется переслаиванием песчаников и алевролитов.

Кемеровская свита может быть развита на всей площади разреза, характеризуется высокой угленосностью благодаря наличию пластов, мощность которых изменяется от 150 м до 240 м. Рабочая угленосность — 20—38%. В составе свиты распространены песчаники, мощность слоев которых достигает 30—50 м.

Ишановская свита, вскрытие которой в верхней части разрезов может составлять до 80 м, содержит 7 пластов угля. Промышленное значение и повсеместное распространение имеют три верхних пласта. Рабочая угленосность вскрытой части достигает 10%. В составе свиты из породных прослоев преобладают песчаники.

Таблица 1

Соотношение литологических разностей пород и угля поля разреза по свитам [29] Ratio of lithological varieties of dirt rocks and coal by suites within open pit mine field [29]

Наименование литологической разности Усятская свита, % Кемеровская свита, % Ишановская свита, % Всего, %

Уголь 9,0 29,0 10,0 19,0

Алевролит 41,0 31,0 44,0 37,0

Аргиллит 2,0 1,0 3,0 2,0

Песчаник 45,0 38,0 39,0 40,0

Угленосный аргиллит 1,0 0,2 2,0 0,5

Переслаивание: алевролита с песчаником алевролита с аргиллитом 1,0 1,0 0,3 0,5 2,0 1,0 0,5

В целом в пределах полей угольных разрезов наибольшее распространение имеют песчаники и алевролиты. Угли, аргиллиты и другие породы занимают подчиненное положение. Характерное соотношение литологических разностей пород и угля по свитам приведено в табл. 1.

Породы и пласты угля интенсивно трещиноваты. Трещиноватость увеличивается вблизи замков складок и тектонических нарушений. Трещины имеют различную степень раскрытости, отличаются по характеру заполнителя. Трещинова-тость оказывает отрицательное влияние на состояние и устойчивость как бортов разрезов, так и окрестных массивов горных пород.

В тектоническом плане строение угольных месторождений северо-западной части Кузбасса сложное. Основная структура — брахиосинклиналь осложнена дополнительными складками второго и более высоких порядков, а также тектоническими разрывами, различными по амплитуде и протяженности [30]. Наиболее четко выделены и прослеживаются по всему полю месторождения три крупные синклинали: Главная, А, С; синклинали Fr L, Б, В, Е и другие приурочены к их крыльям. Менее четко выражены антиклинали, наиболее крупные из них: Центральная, АЕ, БВ.

Падение крыльев складок невыдержанное, от пологого 10—15° до крутого 70—80°, местами запрокинутое. Преобладающие углы падения пластов достигают 50—80°.

Угленосные отложения нарушены большим количеством тектонических разрывов. Наиболее крупные из них прослеживаются по всему полю месторождения. Амплитуда смещений крыльев составляет 70—270 м и более. Протяженность нарушений с амплитудой 10—100 м изменяется от 100 м до 2 км, а с амплитудой 1—10 м — от 10 до 100 м. В соответствии с действующей «Классификацией запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых» по сложности геологического строения, выдержанности и мощности пластов, качеству угля, поля разрезов отнесены к группе 3 месторождений сложного строения [29].

В процессе ведения горных работ открытым способом природный рельеф поверхности полей горных отводов угольных разрезов существенно изменяется: формируются искусственные формы рельефа — возвышенности, образующиеся при складировании пород вскрыши с превышением рельефа на 200 м и более, а также в результате понижений абсолютных отметок до 300 м на площадях вскрышных и добычных работ.

Район находится в сейсмоактивной зоне, сейсмичность которой оценивается в 7 баллов.

Природно-климатические условия района ведения открытых горных работ в центральной части Кузбасса относятся к резко континентальным. Продолжительность безморозного периода составляет около 100 дней. Снеговой покров устанавливается в середине ноября. Средняя температура января (самый холодный месяц) изменяется в пределах -16^-18 °С, минимальная может понижаться до -41^-43 °С. Количество осадков, выпадающих в зимний период, редко превышает 100—150 мм, высота снежного покрова — 20—25 см, глубина промерзания грунтов составляет 1,6—2,5 м, средняя 1,8 м. В основном

преобладают ветры юго-западного направления.

Фактически осадков на данной территории выпадает несколько больше межсезонного разброса за соответствующие периоды наблюдений. Так, по данным метеостанции г. Киселевска [31] (Кемеровская обл.; широта 54.03, долгота 86.65, высота над уровнем моря 297 м), осадки за периоды с октября по апрель в 2012—2015 гг. по совокупности таяния снежного покрова и дождей изменялись в 1,5—2 раза (рис. 5, а) и количественно составили ~230 мм в 2012—2013 гг. и 150 мм в 2014—2015 гг. (рис. 5, б). Время на графиках в периоды наблюдений указано в декадах.

Гидрологические условия отрабатываемых месторождений сложные. Гидроло-

а)

30

125 1 15

3 10

I 5

О

О

ft

1 \! \ <> 11 / \ 1 i

1 \ ' i ' i ' i

1 t , J \ i / 1Г

V Ф Щ ж

1 1 — 1 —1

18

3 б 9 12 15 Период наблюдений, декада -♦-2012-13 —■—2013-14 —2014-15

21

3 6 9 12 15 Период наблюдений, декада

-♦-2012-13 ——2013-14 —2014-15 Рис. 5. Количество осадков, выпадавших подекадно с октября по апрель в 2012—2015 гг. в центральной части Кузбасса (а), и их суммарное накопление за эти периоды (б)

Fig. 5. Amount of precipitation by ten-day periods from October to April in 2012—2015 in the center of Kuzbass (a) and gross precipitation in the same periods (b)

гическая сеть достаточно разветвленная, представлена небольшими речками, протекающими в основном на расстояниях от 0,5 км до 1,5 км от границ горных отводов угольных разрезов. На формирование «верховодок» с учетом конкретных профилей местности в зонах породных отвалов и складов угля определяющее влияние оказывают таяние снегов и естественные осадки в виде дождей.

В обводнении угольных разрезов принимают участие подземные воды четвертичных и угленосных отложений. К зонам устойчивого питания отложений относят участки бортов разреза, где имеет место инфильтрация вод из гидроотвалов. Коренные породы характеризуются наибольшей водоносностью у границ разрезов, где контактируют с аллювиальными отложениями долин рек, особенно в наиболее выветрелой части толщи до глубин 70—100 м. Коэффициенты фильтрации коренных пород могут изменяться от 0,017 до 2,5 м/сут при средних

Таблица 2

значениях порядка 0,22 м/сут. Согласно сведениям по среднегодовым водопри-токам в разрезы, приток подземных вод может достигать 220 м3/ч и более [29].

Физико-механические свойства

горных пород

На полях угольных разрезов выделяют 3 группы основных пород [29]:

• рыхлые отложения четвертичного и третичного возраста;

• коренные породы, затронутые выветриванием (глубина 40—80 м от кровли коренных пород);

• коренные породы, не затронутые выветриванием (ниже глубины 40—80 м).

Четвертичные отложения верхних вскрышных горизонтов полей горных отводов угольных разрезов сложены в основном лессовидными суглинками мощностью от 3 м до 10 м, местами могут достигать 60 м, иногда обогащены грубо-обломочным, слегка окатанным, делювиальным материалом. Плотность суглинков

Порода или среда VP, км/с VS, км/с Р, т/м3 в, K-1

Вода 1,43-1,59 - 1,0 0,182 (0,07)

Сухие пески, суглинки, галька, гравий, щебень 0,3-0,8 0,1-0,4 1,2-1,7 -

Те же породы, насыщенные водой 1,3-1,8 0,1-0,5 1,6-2,0 -

Глина - - - 6,2-7,4

Глина влажная 1,4-2,5 0,4-0,7 1,6-2,2 -

Песчаник тонкозернистый 1,8-4,0 0,7-2,1 2,25-2,67 10,2-10,4

Мергель 2,0-3,5 0,3-1,8 2,3-2,8 -

Алевролит - - 2,4-2,7 -

Известняк, доломит 2,5-6,0 1,2-3,5 1,8-3,0 5,4-7,4 изв.

Лед, водонасыщенные мерзлые пески и глины 3,2-4,0 1,6-2,1 0,9-1,6 -0,064

Примечания: 1. Параметр р для воды и горных пород замерен при температуре 20 °С; дополнительно для воды (в скобках) по линии насыщения — при температуре 10 °С; для льда — при температуре 0 °С. 2. Размер обломочных зерен песчаника, связанных каким-либо минеральным веществом — от 0,1 до 2 мм.

Типовые значения скоростей продольной VP и поперечной VS волн, плотности р и коэффициента линейного теплового расширения р для некоторых горных пород [32—34] Characteristic values of P-wave velocity VP and S-wave velocity VS, density р and linear thermal expansion coefficient p for some rock types [32—34]

возрастает с глубиной. По классификации проф. М.М. Протодьяконова лессовидные суглинки относят к VIII категории, обогащенные делювием — к VI категории. Породы скальных отложений в верхней части представлены тонкозернистыми песчаниками с включениями глинистого материала, равномерно распределенного по объему породы, и песчаниками смешанного типа с присутствием глинистого материала в виде равномерно распределенных в объеме тонких прослоев.

Физико-механические свойства грунтов и пород представлены в табл. 2 [29].

Коренные породы, затронутые выветриванием, залегают на глубинах от 40 до 80 м от поверхности и представлены в основном песчаниками, алевролитами, аргиллитами. Граница зоны выветривания зависит от рельефа местности, литологии пород и тектонических нарушений. Так, в песчаниках она находится на глубинах 40—60 м, в алевролитах, аргиллитах — на глубинах 70—80 м. Физико-механические параметры песчаников и алевролитов, затронутых выветриванием, близки между собой и представлены в табл. 2 [29].

Коренные породы, не затронутые выветриванием, слагают основную толщу угленосных отложений и представлены песчаниками, алевролитами и аргиллитами, залегающими на глубинах ниже 40—80 м от поверхности коренных пород. Физико-механические параметры коренных пород, не затронутых выветриванием, также представлены в табл. 2 [29].

Справочные данные по скорости распространения продольных и поперечных волн и плотности пород, представленные в табл. 2, предназначены для привязки сейсмических границ к геологическим [35]; коэффициент линейного теплового расширения [32] — для оценки деформаций в горном массиве при перепадах температуры окружающей среды, уточ-

нения механизмов трещинообразования и разрушения пород с поверхности обнажений.

Параметры ведения открытых

горных работ в угольном разрезе

Поля горных отводов угольных разрезов разделяют на эксплуатационные участки, обладающие схожестью горногеологических условий и принятыми границами — вкрест простиранию угольных пластов. Границами между участками угольных разрезов являются разведочные линии.

Уменьшение объема углей коксующихся марок и снижение угленасыщен-ности в направлении с севера на юг диктуют необходимость равномерного развития горных работ на всем протяжении фронта добычных и вскрышных работ с целью поддержания стабильного марочного состава и коэффициента вскрыши на весь срок эксплуатации разреза.

С учетом этого в каждом разрезе, как правило, индивидуально, принимается углубочная система разработки с задействованием всего фронта горных работ и постоянным понижением до конечных границ разреза. Физико-механические свойства вскрышных пород определяют необходимость их предварительного рыхления взрывами до начала выемочных работ. Исходя из этого основные параметры элементов системы разработки (см. табл. 3) определены для «усредненных» горно-геологических условий в соответствии с параметрами используемого технологического и горнотранспортного оборудования и принятым регламентом ведения буровзрывных работ.

Характер и механизм развития

трещин в грунтах и породах

Массивы горных пород имеют неоднородное блочно-иерархическое строение [1], которое оказывает существенное влияние на характеристики прочности

Таблица 3

Значения основных параметров ведения открытых горных работ в угольном разрезе [29] Values of basic parameters of open pit coal mining

Наименование показателя, ед. измерения Значения показателей для типов пород

рыхлые выветрелые коренные уголь

Высота вскрышного уступа, м 15-30 15 15 7,5-15

Ширина заходки по целику, м 35 35 35 -

Полная ширина развала, м - 50 54 -

Максимальная высота развала, м - 16 16.5 -

Минимальная ширина рабочей площадки, м 11 26 30 37

Нормальная ширина рабочей площадки, м 46 61 65 40-65

Полная глубина разрезной траншеи, м - 15 15 15

Расстояние от оси автодороги до нижней бровки развала, м - 15 19 9

Расстояние от оси автодороги до полосы электроснабжения, м 5 5 5 5

Расстояние между осями автодорог, м 12 12 12 12

Рабочий угол откоса, градус 60 75 75 -

Устойчивый угол откоса, градус 50 60 60 -

Минимальный радиус разворота автосамосвала, м 13 13 13 13

и распространение сейсмических волн [36]. Масштабы структурных блоков охватывают диапазон до размеров блоков пород массива, разделенных геологическими разломами. Блоки пород обладают определенной пористостью, могут быть связаны между собой прослойками с различной плотностью и механическими свойствами, пронизаны макропорами и трещинами.

Показатель «пористость» горных пород позволяет оценить механизм и характер развития трещин в процессе их зарождения. Под компонентами, определяющими пористость (или пустотность) пород, принято понимать поры, каверны, микротрещины и прочие структурные дефекты. Распределение пористости на микроуровне в структуре образца иллюстрирует пример изучения поверхности аншлифа угля (рис. 6, см. Приложение, с. 99) с помощью оптического сканирующего микроскопа [37]. По характеру

развития трещин просматривается разделение образца породы на блоки различного структурного уровня, а также выделяются цепочки соединения макропор в трещины.

На изображении аншлифа (рис. 6) компоненты пористости показаны цветом: трещины — зеленым, поры — синим, каверны (принято условно) — коричневым. Здесь видно, что отдельные поры группируются, постепенно уплотняясь, образуют цепочки пор, которые, соединяясь, трансформируются в более широкие поры или формируют каналы трещин на поверхности. Как видно из рисунка, большинство углов между смежными трещинами близки к 90°.

На графиках рис. 7 на микроуровне определен и показан характер распределения [37]: пор по эквивалентным диаметрам (а); толщины трещин по площади (б); по ширине канала трещин (в). Количественная оценка пустот в грунтах и

в)

20 -

10

л; %

0.08

0.16 0

4 8 12 16

О

Диаметр поры, мм Толщина трещины, мкм Ширина канала, мкм

Рис. 7. Графики распределения: пор по эквивалентным диаметрам (а); толщины трещин (расстояние между ее берегами) по площади (б); по ширине канала трещин (в объемном эквивалентном представлении) (в)

Fig. 7. Graphs of distribution of (a) pores by equivalent diameters; (b) opening of cracks (distance between crack edges) by area and (c) by width of crack channel (equivalent volume representation)

породах по их видам, размерам, ориентации и занимаемой площади позволяет оценить развитие пористости, формирование трещин в массиве, образование каналов и путей фильтрации и дренажа поверхностных и подземных вод.

Как показано на рис. 8 и 9, сезонные и суточные [31] перепады температуры в обнажениях бортов разреза приводят к нарушениям сплошности массива, образованию и развитию трещин по глубине — вдоль температурного градиента. Так, при изменении температуры на 10 °С смещения при деформации 15-ти метрового уступа песчаника достигают миллиметрового диапазона [32].

Экспериментально установлено, что развитие трещин в четвертичных отложениях (суглинки, песчаники) вблизи обнажений бортов угольного разреза происходит практически по вертикали или близких к ней углах наклона. Это способствует проникновению и накоплению атмосферных осадков по глубине массива и в результате дренажа и фильтрации подземных вод приводит к снижению сцепления рыхлых отложений, что создает предпосылки отслоений краевых частей массива и эрозионного формирования оползней вдоль кромки бортов разреза (рис. 9).

Устойчивая ориентация развития трещин по напластованиям с поверхности

---2014 -2015 Период наблюдений, Ч

Рис. 8. Температурный режим воздуха в угольном разрезе в периоды с 16 марта по 15 апреля 2014 и 2015 гг.

Fig. 8. Air temperature in open pit coal mine over the periods from March 16 to April 15 in 2014 and 2015

Частицы I

Рис. 9. Образование макропор в приповерхностных слоях грунта в периоды оттаивания

Fig. 9. Formation of macropores in subsurface soil in thawing periods

обнажений хорошо согласуется с установленным для тонкозернистого глинистого песчаника фактом преобладания в его структурах блоков, близких по форме к прямоугольным, что способствует трансформации песчаника в рыхлое состояние при существенном снижении сил сцепления в результате увлажнения. Если песчаник не претерпел механических разрушений, при высыхании его исходные свойства восстанавливаются частично — со значительным снижением прочности. В меньшей степени аналогичные свойства проявляются в глинах, суглинках, супеси.

Инженерно-геологические и природно-климатические факторы, комплексно влияющие на геомеханическое состояние бортов угольного разреза

К неблагоприятным воздействиям инженерно-геологических и природно-климатических факторов на породный массив в бортах угольных разрезов следует отнести механо-эрозионные проявления, связанные с осыпанием, оплыванием, обрушением грунтов и пород, образованием оползней, суффозий, наледей [29]. Оползни, оплывания и обрушения проявляются в грунтах верхних горизонтов четвертичных отложений и обусловлены температурными перепадами, направлением ветров, выпадением осадков, таянием снегов, дренажом подземных вод. Осыпи и обрушения распространены в пределах угольных разрезов, они более

характерны и проявляются в песчаниках и алевролитах, где, в основном, связаны как с природно-климатическими факторами, так и с тектоническими нарушениями, трещиноватостью, наличием про-пластков, влиянием техногенных воздействий в результате увеличения глубин вскрытия пород при проведении буровзрывных работ.

Нарушению устойчивости бортов угольных разрезов способствует развитие ослаблений вблизи поверхности обнажений, формируемых как при отработке горной массы в забоях, так и в результате термоабразионного переформирования бортов и откосов, наиболее интенсивно протекающего в периоды весеннего оттаивания, когда фактически «одновременно» и во взаимосвязи развиваются «элементарные» процессы поро- и трещи-нообразования, в совокупности с гидрологическими факторами определяющие эрозию грунтов и пород вблизи обнажений и по глубине массива.

На рис. 10 (см. Приложение, с. 100) показан характерный вид развития трещин на поверхности уступа, наблюдаемый в натурных условиях обнажений бортов и откосов (а), а также приведен фрагмент определения размеров расхождения берегов древовидных трещин (б) с помощью 3^ модели, полученной по данным наземного лазерного сканирования поверхности уступа.

Разрывные нарушения и трещины в приповерхностных слоях четвертичных отложений, как естественные, так и фор-

мирующиеся под воздействием природно-климатических факторов в периоды промерзания и оттаивания грунтов и пород, способствуют усилению дренажа дождевых и талых вод, развитию эрозии в местах ведения вскрышных работ практически на всех горизонтах. Суточные перепады температуры в весенний период, показанные на рис. 8 [31], способны вызывать существенные деформации грунтов и пород вблизи обнажений, что сопровождается нарушениями сплошности, усилением трещиноватости, развитием макропор, каверн и трещин по глубине массива (см. рис. 9, 10) при оттаивании и проникновении атмосферных осадков, инициировать появление и развитие зон «морозобойного» дробления пород по уступам и откосам бортов. Об этом с очевидностью свидетельствует рис. 11 (см. Приложение, с. 100).

Проникновение атмосферных осадков с поверхности земли приводит к обводнению суглинков и песчаников, что способствует снижению сил сцепления и отслоению краевых частей, инициируя механическую эрозию и оползневые сдвижения по глубине массива под действием собственного веса налегающих грунтов. Переформирование откосов уступов в бортах угольных разрезов зависит от параметров системы разработки, осложняется естественным состоянием геологических структур, трещинообра-зованием и развитием эрозионных процессов в краевых частях и обнажениях бортов и уступов при отсутствии бокового отпора.

Температурные циклы, вызывающие сезонно-периодические расширения и сжатия пород по глубине промерзания массива, проникновение талых вод и дождевых осадков по межслоевым трещинам, способствуют трансформации тонкозернистого глинистого песчаника в рыхлую грунтовую массу. При этом признаки регулярности и периодичности его

структуры в значительной степени сохраняются вплоть до полного разрыхления.

Наиболее информативными параметрами, определяющими развитие эрозии четвертичных отложений, включая сход оползней, являются глубины формирования деформаций грунтов и пород вблизи поверхности ослаблений, падающих в выработанное пространство. Деформации, распространяющиеся по глубине массива, связаны, как правило, со снижением сил сцепления, образованием трещин и плоскостей скольжения, способствующих при отсутствии бокового отпора смещению грунтов и пород по площади отложений в сторону обнажений бортов и откосов.

Очевидно, образование оползней обусловлено как количеством осадков и накоплением грунтовых вод, так и сопутствующими факторами, связанными с эрозией бортов и уступов угольного разреза в результате развития трещинова-тости в краевой части массива под влиянием перепадов температуры, атмосферных осадков, движения дождевых и талых вод с учетом профиля естественной поверхности. Снижению сцепления грунтов и пород также способствует вымывание и накопление осадочных отложений по склонам и уступам в результате дренажа и фильтрации подземных вод.

О механизмах разрушения

грунтов и пород в бортах

угольного разреза

Эрозия в бортах и откосах угольного разреза связана как с механизмами «морозобойного» растрескивания грунтов и пород на глубинах промерзания с поверхности обнажений, когда при промерзании грунтов происходит их объемное уменьшение, сопровождающееся образованием клинообразных трещин, ориентированных по глубине практически вертикально или под углами, близкими к естественным напластованиям,

так и с морозным пучением влагонасы-щенных грунтов и разрушением пород при сезонном замерзании воды, скапливающейся в трещинах и порах при попадании с поверхности обнажений, что приводит к увеличению объема грунтов до 10%, вызывая необратимые деформации в массиве.

Глубины развития трещин в макропо-ровом пространстве грунтов и пород могут достигать по протяженности нескольких метров. При определенных условиях возможен переход развивающихся трещин из ослабленных пород в более крепкие подстилающие породы, где их распространение может продолжаться (см. рис. 12, а, см. Приложение, с. 101) [38, 39]. Такой механизм связан с прочностью и сцеплением грунтов и пород и проявляется при отсутствии или слабом боковом отпоре в краевой части массива, что имеет место в откосах и бортах угольного разреза с увеличением глубины его отработки. Как показали модельные эксперименты [38, 39], рост трещин при сжатии блоков (см. рис. 12, б) с усилием, равным прочности материала на изгиб, происходит постепенно в течение 100 сут., при этом средняя скорость

развития трещин за период наблюдений отмечена на уровне 30 мм/сут.

Снижению бокового отпора в откосах бортов угольного разреза способствуют не только осадконакопление и грунтовые воды, но и наличие высоких близко расположенных породных отвалов, а также влияние техногенных воздействий, формируемых при проведении буровзрывных работ в забоях с увеличением глубин отработки нижних горизонтов.

В целом, по результатам визуального осмотра, анализа фотоснимков и данных линейных измерений геодезическими методами [40] за полугодовой период контрольных наблюдений в пределах верхних уступов борта разреза, сложенных грунтами и песчаниками, установлено, что в приповерхностных слоях грунтов скорость эрозии, связанная с расхождением берегов трещин, ориентированных вдоль борта, снижается с удалением от бортовых откосов и повышается на поверхности уступов при увеличении глубин отработки месторождения (см. табл. 4).

Трещины в грунтах и песчаниках развиваются в глубину практически вертикально, местами претерпевают «схлопы-вание» в связи с осыпанием породы по

Таблица 4

Параметры расхождений берегов трещин в зависимости от местоположения относительно верхней кромки борта угольного разреза

Parameters of crack opening depending on location relative to the top edge of open coal pit wall

Местоположение трещин по борту разреза Средняя скорость расхождения берегов трещин, мм/сут.

Трещины, формирующиеся в осадочных грунтах на удалении от борта ~70 м от 1 до 3

Трещины, формирующиеся в грунтах первого от поверхности уступа от 7 до 9

Трещины, формирующиеся в песчаниках четвертого от поверхности уступа от 25 до 30

Оползень при оседании уступа, сложенного желто-бурыми суглинками от 16 до 18

Оползень при оседании уступа вблизи гидроотвала, сложенного суглинками до 10 за месяц

Примечание. Оседания оползней за период наблюдений носят характер постепенного сползания.

стенкам. Например, глубина протяженных трещин в уступе песчаника, показанном на рис. 10, а, составляет более 3 м; в этих трещинах наблюдается скопление воды. Развитие трещин в местах изменений профиля местности носит, в основном, древовидный характер. Ширина «морозобойных» отслоений грунтов верхней кромки борта осадочных отложений составляет в среднем 2,5—3 м. Этот факт хорошо согласуется с размерами промерзания грунтов и пород вблизи обнажений в откосах уступов и бортов угольного разреза и позволяет количественно оценить влияние перепадов температуры на скорость развития механических эрозионных процессов в прилегающем породном массиве.

К механизму активизации

глубинных разломов вблизи

угольных разрезов

На карте глубинных разломов Кемеровской области (рис. 13, см. Приложение, с. 101), составленной ВСЕГЕИ [24, 25], показано, что в центральной части существуют три глубинных разлома меридионального направления — два магистральных (с одним из этих разломов, по-видимому, связано землетрясение 9 февраля 2012 г.), и более короткого регионального разлома, расположенного на значительном удалении от восточного. При этом западный магистральный разлом относят к числу наиболее надежно установленных глубинных разломов. К северу от г. Ленинск-Кузнецкого этот разлом выделен по данным магнитометрии, южнее — по комплексу геолого-геофизических данных, с помощью которых установлены четкие изменения мощности, состава и структуры земной коры в целом и гранитно-метаморфического комплекса, в частности [2].

Механизм активизации глубинных разломов в результате техногенных воздействий может заключаться в росте

трещин и, с учетом глубины проявления землетрясений порядка 4 км, формировании тектонически напряженных зон около их замыканий и, наоборот, зон ослабления (дробления, разгрузки), с поступлением поверхностно-грунтовых вод. Подобные механизмы ведут к появлению зон, не только тектонически напряженных (ТНЗ), но и тектонически разгруженных (ТРЗ), существенно влияющих на безопасность ведения горных работ, а также особо подвижных или особо чувствительных блоков, способных к «резонансной самораскачке» при сейсмических воздействиях и формированию «роевых» землетрясений [20, 26]. Ведение горных работ в таких зонах связано с повышенными геомехано-геодинамиче-скими рисками и должно сопровождаться геомеханическим мониторингом. В силу указанных причин, при переходе от естественной к природно-техногенной сейсмичности связь между ними в известном смысле может усиливаться.

Обсуждение результатов

и выводы

Как известно, поступление и накопление грунтовых вод на определенных глубинах в породных массивах, в том числе и по системе геологических разломов и техногенно наведенных трещин субвертикального направления, с глубиной ориентирующихся в направлении к очистному пространству, способно приводить к гидроразрыву нижележащих породных толщ с подходящими для этого процесса их физико-механическими свойствами и весом эффективно действующего водонапорного горизонта «распирающей жидкости». Такие условия, очевидно, наиболее отвечают этому процессу в непосредственной зоне окрестных породных массивов для отрабатываемых карьеров со значительными по мощности налегающими на продуктивные слои грунтовыми и терригенно-осадочными отложениями.

Они характерны как для большинства угольных месторождений Кузбасса, так и для кимберлитовых месторождений Якутии. С увеличением масштабов и глубины обрабатываемых карьеров угольных и кимберлитовых месторождений и последующим переходом на технологии подземной их отработки возникает, следовательно, риск проявления обсуждаемого эффекта с достаточно очевидными негативными (вплоть до катастрофических) последствиями — от затопления или повышенного обводнения нижележащих горизонтов отрабатываемых месторождений, до понижения уровня грунтовых вод и деградации речной сети, а также экосистем далеко за пределами горных отводов.

С учетом открытого в [41, 42] «поршневого механизма» влияния волн маятникового типа от землетрясений и мощных взрывов, проявления эффекта аномально низкого трения в геосредах [43] отмеченный риск только возрастает при увеличении мощности применяемых взрывов и энергетического класса землетрясений в Алтае-Саянской складчатой области [1].

Как представляется, недавно произошедшее катастрофическое затопление одного из алмазодобывающих предприятий в Якутии (трубка «Мир») вполне может быть связано с проявлением обсуждаемого геомеханического эффекта, не учитывавшегося при переходе отработки кимберлитовой трубки от открытой к подземной технологиям ведения добычных работ в условиях стратифицированных осадочных породных вмещающих массивов с наличием переслаивающихся соленосных и водонапорных горизонтов. В данном случае можно говорить об «эффекте движения пробки в горлышке бутылки шампанского, но перевернутой на 180°», учитывая форму кимберлитовой интрузии, большую контрастность физико-механических свойств отрабатываемой руды и вмещающих пород, а также

форму применяемых конструктивных элементов при подземном ведении горных работ. По сути дела, роль «пробки» здесь выполнял сформированный закладочный массив между отработанными верхними и отрабатываемыми нижними горизонтами.

В силу большой геотехнологической значимости геомеханического процесса, названного авторами настоящей статьи как «механо-эрозионный», особенно в при-бортовых зонах отрабатываемого твердого полезного ископаемого, основательное его изучение и в том (угольные разрезы), и в другом (кимберлитовые трубки) случаях требует значительного совершенствования ныне применяемых на крупнейших горнодобывающих предприятиях Сибири комплексных мониторинговых систем геомеханико-геодина-мической и геоэкологической безопасности их функционирования. Здесь должен быть сделан особый акцент на получение, анализ и интерпретацию сложных, нелинейных в своей основе, геомеханических процессов в прибортовых зонах (вмещающих полезные ископаемые) породных массивов для карьерных пространств с действующим технологическим оборудованием.

В данном случае авторы, руководствуясь отмеченным выше и сведениями из [1—33], ограничиваются соответствующими рекомендациями по организации мониторинга влияния природно-техно-генной сейсмической активности, связанной с механо-эрозионными и геотехнологическими процессами, в бортах глубоких карьеров.

Так, анализ условий возникновения и развития нелинейных деформационных процессов в приповерхностных слоях грунтов и структурах массивов пород блочно-иерархического строения на ме-сторожденияхтвердыхполезныхископае-мых, а также оценки связанных с ними сейсмических проявлений и эрозионных

изменений поверхности четвертичных отложений бортов и уступов в карьерах и угольных разрезах позволил определить необходимые подходы для разработки методов и реализации комплексного мониторинга сеймо-деформационных волновых процессов при ведении открытых горных работ по добыче твердых полезных ископаемых. К организации такого мониторинга в условиях карьеров и, в частности, угольных разрезов, как свидетельствует накопленный опыт, следует отнести:

• определение геологических и гидрологических условий залегания минерального сырья;

• определение природно-климатических условий региона ведения открытых горных работ и осуществление текущего контроля для оценки основных факторов их влияния на геомеханическое состояние массива пород месторождения;

• определение обводненности и характера накопления атмосферных осадков для оценки их влияния на развитие механо-эрозионных процессов в бортах карьеров, в т.ч. угольных разрезов;

• инструментальный контроль развития механо-эрозионных процессов, связанных с образованием осыпей, обрушений, оползней и оплываний в бортах и откосах;

• инструментальный контроль сейсмическими методами процессов, связанных с техногенными воздействиями буровзрывных работ на устойчивость бортов и откосов;

• инструментальный контроль методами инженерной сейсморазведки процессов, связанных с изменениями механических свойств грунтов и пород по глубине массива в результате развития трещин, обводнения, промерзания, ведения открытых горных работ для оценки и прогноза инверсии и потенциала восстановления «естественных» геомеханических свойств грунтов.

Мероприятия по организации мониторинга природно-техногенной сейсмической активности на территории угольного разреза должны носить долгосрочный характер и предусматривать использование геомехано-геофизических методов исследований [2, 27, 43—45], включая:

• создание геомехано-геодинамиче-ского полигона, оснащенного системами планового и высотного деформационного мониторинга на основе базовых сетей GPS-трилатерации, маркшейдерских профильных линий и геофизических профилей, охватывающих наиболее проблемные участки деструктивных и сейсмических проявлений на территории угольного разреза;

• организацию стационарных пунктов GPS-контроля движений земной коры с перспективой включения их в общероссийскую и международную сеть GPS-наблюдений;

• создание постов наблюдений для контроля сейсмоэмиссионной активности и атмосферных состояний на проблемных участках угольного разреза для выявления прогностических признаков нарастающей сейсмической опасности. Построение системы геофизических траверсов вкрест простирания предполагаемых глубинных разломов на участках с различной сейсмической активностью для уточнения характера геодинамической эволюции этих структур;

• организацию на сейсмоопасных участках территории разреза мониторинга гидродинамических режимов «закрытых» подземных водоносных горизонтов;

• создание сейсмических локальных сетей вокруг наиболее сейсмоопасных участков территории разреза с привлечением информационных ресурсов систем горного сейсмического мониторинга, скомплектованных из групп сейсмо-станций;

• детальное обследование участков сейсмических проявлений на террито-

рии разреза для выявления образовавшихся сейсмических дислокаций и сопутствующих им дискретных форм развития деформационных процессов как в эпицентральных зонах землетрясений,

список ЛИТЕРАТУРЫ

так и на территориях горных отводов близко расположенных горных предприятий (сейсмоэмиссионных аттракторов, сопряженных с развитием дислокационных структур).

1. Adushkin V. V., Oparin V. N. From the alternating-sign explosion response of rocks to the pendulum waves in stressed geomedia // Journal of Mining Science. Part I. 2012. Vol. 48, no 2, pp. 203-222; part II; 2013. Vol. 49, no 2, pp. 175-209; part III; 2014. Vol. 50, no 4, pp. 623645; part IV; 2016. Vol. 52, no 1, pp. 1-35.

2. Яковлев Д.В., Лазаревич Т. И., Цирель С. В. Природно-техногенная сейсмоактивность Кузбасса // ФТПРПИ. - 2013. - № 6. - С. 20-34.

3. Гупта X., Растоги Б. Плотины и землетрясения. - М.: Мир, 1979. - 251 p.

4. Шейдеггер А. Основы геодинамики. - М.: Недра, 1987. - 384 p.

5. Николаев А. В. Проблемы наведенной сейсмичности / Наведенная сейсмичность. - М.: Наука, 1994. - С. 5-15.

6. Earthquakes induced by Underground Nuclear Explosions: Environmental and Ecological Problems. Edited by R. Console, A. Nikolaev // NATO ASI Series. Springer, 1995. Vol. 4.

7. Адушкин В. В., Турунтаев С. Б. Техногенные процессы в земной коре (опасности катастрофы). - М.: ИНЭК, 2005. - 252 p.

8. Адушкин В. В. Техногенная сейсмичность: основные источники, причины возникновения и их классификация / Горная геомеханика и маркшейдерия в тысячелетии. - СПб.: ВНИМИ, 2004. - С. 45-57.

9. Сейсмичность при горных работах / Под ред. Н. Н. Мельникова. - Апатиты: КНЦ РАН, 2002. - 325 p.

10. Пернацкий С. И., Шершневич В.А. Сильнейшее техногенное землетрясение на руднике «Умбозеро»: горнотехнические аспекты // Горный журнал. - 2002. - № 1. - С. 43-49.

11. Сырников Н. М., Тряпицын В. М. О механизме техногенного землетрясения в Хибинах // ДАН СССР. - 1990. - Т. 314. - № 4. - С. 830-833.

12. Брыксин А. А., Селезнев В. С. Влияние техногенных факторов на сейсмичность районов Кузбасса и озера Байкал // Геология и геофизика. - 2012. - Т. 53. - № 3. - С. 399-405.

13. Еманов А. Ф., Еманов А. А., Лескова Е. В., Фатеев А. В., Семин А. Ю. Сейсмические активизации при разработке угля в Кузбассе // Физическая мезомеханика. - 2009. - Т. 12. -№ 1. - С. 37-43.

14. Климанова В.Г., Батугии А. С. О влиянии техногенной сейсмичности на окружающую среду и техносферу // Неделя горняка. - 2003. - № 7. - С. 183-187.

15. Холуб К. Наведенная сейсмичность при добыче угля лавами на шахтах Чехии // ФТПРПИ. - 2007. - № 1. - С. 37-44.

16. Кондратьев O.K., Люкэ Е.И. Наведенная сейсмичность. Реалии и мифы // Физика Земли. - 2007. - № 9. - С. 31-37.

17. Опарин В. Н., Еманов А. Ф., Востриков В. И., Цибизов Л. В. О кинетических особенностях развития сейсмоэмиссионных процессов при отработке угольных месторождений Кузбасса // ФТПРПИ. - 2013. - № 4. - С. 148-156.

18. Яковлев Д. В., Лазаревич Т. И. Техногенная сейсмичность Кузбасса / Горная геомеханика и маркшейдерское дело. - СПб.: ВНИМИ, 1999. - С. 384-392.

19. СП 14.13330.2011. Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*. - М.: Госстрой России, 2011. - 84 с.

20. Лазаревич Т. И., Поляков А. Н. Горный мониторинг сейсмической и геодинамической безопасности Кузбасса / Горная геомеханика и маркшейдерское дело. - СПб.: ВНИМИ, 2009. - С. 40-49.

21. Екимов А. И., Цирель С. В. Особенности проявлений тектонической и сейсмической активности в Кузбассе // Записки Горного института. - 2010. - Т. 188. - С. 79-81.

22. Цирель С. В., Беляева Л. И. Форма и наклон графиков повторяемости динамических событий как характеристики уровня опасности и соотношения естественной и техноген-

ной составляющих геодинамического процесса // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - № 11. - С. 235-240.

23. Еманов А.Ф., Еманов А.А., Лескова Е.В. и др. Наведенная сейсмичность в районе г. Полысаево (Кузбасс) / Землетрясения России в 2008 году. — Обнинск: Изд-во ГС РАН, 2010. - С. 101-106.

24. Геологическая карта Кузнецкого бассейна и его горных обрамлений; масштаб 1:500 000 / Под ред. В.И. Яворского. - Л.: ВСЕГЕИ, 1961.

25. Геолого-промышленная карта Кузнецкого бассейна; масштаб 1:100 000. - Новосибирск: СНИИГГиМС, 2000.

26. Еманов А. Ф., Еманов А. А., Лескова Е. В. и др. Сейсмический мониторинг района г. Осинники (Кемеровская область) / Землетрясения в России в 2005 году. - Обнинск: ГС РАН, 2007. - С. 63-65.

27. EmanovA. F., Emanov A. A., Fateev A. V., Leskova E. V., Shevkunova E. V., Podkorytova V. G. Mining-induced seismicity at open pit mines in Kuzbass (Bachatsky earthquake on June 18, 2013) // Journal of Mining Science. 2014. Vol. 50. no 2, pp. 224-228.

28. Emanov A. F., Emanov A. A., Leskova E. V., Fateev A. V. Largest man-caused seismic processes in the world - Bachatskoe earthquake, June 18, 2013 (ML = 6.1, Kuzbass) / Second European Conference on Earthquake Engineering and Seismology 2ECEES. 2014, pp. 986987.

29. Геологическое строение и горно-геологическая характеристика месторождения. [Электронное издание]. - 2012. Режим доступа: http://www.allbest.ru/.

30. Ловчиков А. В., Савченко С. Н. О техногенной природе Бачатского землетрясения 18.06.2013 г. / Материалы докладов IV Всеросс. конф. «Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле» с международным участием. - М.: ИФЗ РАН, 2016. - С. 478-480.

31. Архив погоды. Киселевск, Кемеровская обл. [Электронное издание]. - 2015. Режим доступа: http://www.pogodaiklimat.ru.

32. Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 p.

33. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород / Под ред. Н.В. Мельникова,

B.В. Ржевского, М.М. Протодьяконова. - М.: Недра, 1975. - 280 p.

34. Справочник физических констант горных пород. - М.: Мир, 1969. - 544 p.

35. Гайнанов В.Г. Сейсморазведка. - М.: Изд. МГУ, 2006. - 149 p.

36. Машинский Э. И., Егоров Г. В. Аномалии скоростей продольных и поперечных волн в образце природного песчаника, составленного из блоков // ФТПРПИ. - 2013. - № 2. -

C. 72-80.

37. Tanaino A.S., Sivolap B. B., Persidskaya O. A., Maksimovsky E. A. Method and means to estimate porosity distribution on the surface of polished section of coal // Journal of Mining Science. 2016. Vol. 52, no 6, pp. 1216-1223.

38. Юшкин В. Ф. Опарин В. Н., Жигалкин В. М., Симонов Б. Ф., Аршавский В. В., Тапси-ев А. П. Особенности разрушения одномерной модели блочных сред при длительном одноосном нагружении // ФТПРПИ. - 2002. - № 4. - С. 81-93.

39. Курленя М. В., Опарин В. Н., Бобров Г. Ф., Акинин А. А., Востриков В. И., Юшкин В. Ф. О расклинивающем эффекте зон опорного давления // ФТПРПИ. - 1995. - № 4. - С. 3-11.

40. Опарин В. Н., Середович В. А., Юшкин В. Ф., Прокопьева С. А., Иванов А. В. Формирование объемной цифровой модели поверхности борта карьера методом лазерного сканирования // ФТПРПИ. - 2007. - № 5. - С. 90-117.

41. Опарин В. Н., Адушкин В. В., Киряева Т.А., Потапов В. П., Черепов А. А., Тюхрин В. Г., Глумов А. В. О влиянии волн маятникового типа от землетрясений на газодинамическую активность угольных шахт Кузбасса // ФТПРПИ. - 2018. - № 1. - С. 3-15.

42. Опарин В. Н. К теоретическим основам описания взаимодействия геомеханических и физико-химических процессов в угольных пластах // ФТПРПИ. - 2017. - № 2. - С. 3-19.

43. Опарин В. Н., Симонов Б. Ф., Юшкин В. Ф., Востриков В. И., Погарский Ю. В., Назаров Л.А. Геомеханические и технические основы увеличения нефтеотдачи пластов в виброволновых технологиях. - Новосибирск: Наука, 2010. - 404 с.

44. Emanov A. F., Emanov A. A., Fateev A. V., Leskova E. V. The technogenic ML=6.1 Bachatsky earthguake of 18 june 2013 in Cuzbass: the world strongest event during mining operations // Seismic Instruments. 2017. Vol. 53. no 4, p. 323.

45. Seleznev V.S., EmanovA. F., Solovyev V. M., Kashun V. N., Emanov A.A., Babushkin S. M., Li-seikin A. V. Seismological technologies of GS SB RAS at research of Siberian territory / 16th SEIS-MIX. International Symposium on Multi-scale Seismic Imaging of the Earth's Crust and Upper Mantle. (Castelldefels, Barcelona, Spain, 12-17 October, 2014): Abstracts. 2014. P. 47. ЕШ

REFERENCES

1. Adushkin V. V., Oparin V. N. From the alternating-sign explosion response of rocks to the pendulum waves in stressed geomedia. Journal of Mining Science. Part I. 2012. Vol. 48, no 2, pp. 203-222; part II; 2013. Vol. 49, no 2, pp. 175-209; part III; 2014. Vol. 50, no 4, pp. 623645; part IV; 2016. Vol. 52, no 1, pp. 1-35.

2. Yakovlev D. V., Lazarevich T. I., Tsirel' S. V. Natural and induced seismic activity in Kuzbass. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2013, no 6, pp. 20-34. [In Russ].

3. Gupta X., Rastogi B. Plotiny i zemletryaseniya [Dams and earthquakes], Moscow, Mir, 1979. 251 p.

4. Sheydegger A. Osnovy geodinamiki [Основы геодинамики], Moscow, Nedra, 1987. 384 p.

5. Nikolaev A. V. Problemy navedennoy seysmichnosti. Navedennaya seysmichnost' [nduced seismicity], Moscow, Nauka, 1994, pp. 5-15.

6. Earthquakes induced by Underground Nuclear Explosions: Environmental and Ecological Problems. Edited by R. Console, A. Nikolaev. NATO ASI Series. Springer, 1995. Vol. 4.

7. Adushkin V. V., Turuntaev S. B. Tekhnogennye protsessy vzemnoy kore (opasnosti katastro-fy) [Man-made processes in the Earth's crust (accident risks)], Moscow, INEK, 2005. 252 p.

8. Adushkin V. V. Induced seismicity: basic sources, causes and classification. Gornaya ge-omekhanika i marksheyderiya v tysyacheletii [Geomechanics and mine surveying], Saint-Petersburg, VNIMI, 2004, pp. 45-57.

9. Seysmichnost'prigornykh rabotakh. Pod red. N. N. Mel'nikova [Сейсмичность при горных работах. Mel'nikov N. N. (Ed.)], Apatity, KNTS RAN, 2002. 325 p.

10. Pernatskiy S. I., Shershnevich V. A. Strongest induced earthquake in Umbozero mine: Geo-technical aspects. Gornyy zhurnal. 2002, no 1, pp. 43-49. [In Russ].

11. Syrnikov N. M., Tryapitsyn V. M. Mechanism on induced earthquake in the Khibiny. Dokla-dy Akademii nauk SSSR. 1990. Vol. 314, no 4, pp. 830-833. [In Russ].

12. Bryksin A. A., Seleznev V. S. The impact of technogenic factors on the seismicity of the Kuznetsk basin region and lake Baikal. Geologiya i geofizika. 2012. Vol. 53, no 3, pp. 399-405. [In Russ].

13. Emanov A. F., Emanov A. A., Leskova E. V., Fateev A. V., Semin A. Yu. Seismic activation at coil mining in Kuzbass. Fizicheskaya mezomekhanika. 2009. Vol. 12, no 1, pp. 37-43. [In Russ].

14. Klimanova V. G., Batugii A. S. О влиянии техногенной сейсмичности на окружающую среду и техносферу. Nedelya gornyaka. 2003, no 7, pp. 183-187. [In Russ].

15. Kholub K. A study of mining-induced seismicity in Czech mine with longwall coal exploitation. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2007, no 1, pp. 37-44.

16. Kondrat'ev O. K., Lyuke E. I. Induced seismicity. Myths and reality. Fizika Zemli. 2007, no 9, pp. 31-37. [In Russ].

17. Oparin V. N., Emanov A. F., Vostrikov V. I., Tsibizov L. V. Kinetics of seismic emission in coal mines in Kuzbass. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2013, no 4, pp. 148-156.

18. Yakovlev D. V., Lazarevich T. I. Induced seismicity in Kuzbass. Gornaya geomekhanika i marksheyderskoe delo [Geomechanics and mine surveying], Saint-Petersburg, VNIMI, 1999, pp. 384-392.

19. SP 14.13330.2011. Stroitel'stvo v seysmicheskikh rayonakh. Aktualizirovannaya redakt-siya SNiP II-7-81* [Construction Regulations SP 14.13330.2011: Construction in seismic regions. Updated version of SNiP II-7-81*], Moscow, Gosstroy Rossii, 2011, 84 p.

20. Lazarevich T. I., Polyakov A. N. eismic and geodynamic monitoring in mines in Kuzbass. Gornaya geomekhanika i marksheyderskoe delo [Geomechanics and mine surveying], Saint-Petersburg, VNIMI, 2009, pp. 40-49.

21. Ekimov A. I., Tsirel' S. V. Specific manifestations of tectonic and seismic activity at Kuzbass. Zapiski Gornogo instituta. 2010. Vol. 188, pp. 79-81. [In Russ].

22. Tsirel' S. V., Belyaeva L. I. The form and inclination of repeatability schedules of dynamic events as the characteristics of danger level and the correlation of natural and technogenic components of geodynamic process. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2009, no 11, pp. 235-240. [In Russ].

23. Emanov A. F., Emanov A. A., Leskova E. V. Induced seismicity in the Polysaevo region, Kuzbass. Zemletryaseniya Rossii v 2008 godu [Earthquakes in Russia in 2008], Obninsk, Izd-vo GS RAN, 2010, pp. 101-106.

24. Geologicheskaya karta Kuznetskogo basseyna i ego gornykh obramleniy; masshtab 1:500 000. Pod red. V. I. Yavorskogo [Geological map of the Kuznetsk basin and its mounting skirting. Scale 1:500 000. Yavorskiy V. I. (Ed.)], Leningrad, VSEGEI, 1961.

25. Geologo-promyshlennaya karta Kuznetskogo basseyna; masshtab 1:100 000 [Map of geology and industry of the Kuznetsk basin. Scale 1:100 000], Novosibirsk, SNIIGGiMS, 2000.

26. Emanov A. F., Emanov A. A., Leskova E. V. Seismic monitoring of the Osinniki town region. Zemletryaseniya Rossii v 2005 godu [Earthquakes in Russia in 2005], Obninsk, Izd-vo GS RAN, 2007, pp. 63-65.

27. Emanov A. F., Emanov A. A., Fateev A. V., Leskova E. V., Shevkunova E. V., Podkorytova V. G. Mining-induced seismicity at open pit mines in Kuzbass (Bachatsky earthquake on June 18, 2013). Journal of Mining Science. 2014. Vol. 50. no 2, pp. 224-228.

28. Emanov A. F., Emanov A. A., Leskova E. V., Fateev A. V. Largest man-caused seismic processes in the world — Bachatskoe earthquake, June 18, 2013 (ML = 6.1, Kuzbass). Second European Conference on Earthquake Engineering and Seismology 2ECEES. 2014, pp. 986—987.

29. Geologicheskoe stroenie igorno-geologicheskaya kharakteristika mestorozhdeniya [Geological structure and characteristics of a deposit]. 2012. Available at: http://www.allbest.ru/.

30. Lovchikov A. V., Savchenko S. N. Induced nature of the Bachatsky earthquake on June 18, 2013. Materialy dokladov IV Vserossiyskoy konferentstt «Tektonofizika i aktual'nye voprosy nauk o Zemle» s mezhdunarodnym uchastiem], Moscow, IFZ RAN, 2016, pp. 478—480. [In Russ].

31. Arkhivpogody. Kiselevsk, Kemerovskaya obl. [Weather archives. Kiselevsk. Kemerovo Region], 2015. Available at: http://www.pogodaiklimat.ru.

32. Fizicheskie velichiny. Spravochnik. Pod red. I.S. Grigor'eva, E.Z. Meylikhova [Physical magnitudes. Handbook. Grigor'ev I. S., Meylikhov E. Z. (Eds.)], Moscow, Energoatomizdat, 1991. 1232 p.

33. Spravochnik (kadastr) fizicheskikh svoystv gornykh porod. Pod red. N.V. Mel'nikova, V.V. Rzhevskogo, M.M. Protod'yakonova [Reference book (cadastre) on physical properties of rocks. Mel'nikov N. V., Rzhevskiy V. V., Protod'yakonov M. M. (Eds.)], Moscow, Nedra, 1975. 280 p.

34. Spravochnik fizicheskikh konstant gornykh porod [Physical constants of rocks: Handbook], Moscow, Mir, 1969. 544 p.

35. Gaynanov V. G. Seysmorazvedka [Seismic exploration], Moscow, Izd. MGU, 2006. 149 p.

36. Mashinskiy E. I., Egorov G. V. Anomalous P-wave and S-wave velocities in a blocky natural sandstone specimen. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2013, no 2, pp. 72-80. [In Russ].

37. Tanaino A. S., Sivolap B. B., Persidskaya O. A., Maksimovsky E. A. Method and means to estimate porosity distribution on the surface of polished section of coal. Journal of Mining Science. 2016. Vol. 52, no 6, pp. 1216-1223.

38. Yushkin V. F. Oparin V. N., Zhigalkin V. M., Simonov B. F., Arshavskiy V. V., Tapsiev A. P. Failure features of one-dimensional model of block media under sustained uniaxial loading. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2002, no 4, pp. 81-93. [In Russ].

39. Kurlenya M. V., Oparin V. N., Bobrov G. F., Akinin A. A., Vostrikov V. I., Yushkin V. F. Division of supporting-pressure zones. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 1995, no 4, pp. 3-11. [In Russ].

40. Oparin V. N., Seredovich V. A., YUshkin V. F., Prokop'eva S. A., Ivanov A. V. Application of laser scanning for developing a 3D digital model of an open-pit side surface. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2007, no 5, pp. 90-117. [In Russ].

41. Oparin V. N., Adushkin V. V., Kiryaeva T. A., Potapov V. P., Cherepov A. A., Tyukhrin V. G., Glu-mov A. V. Effect of pendulum waves from earthquakes on gas-dynamic behavior of coal seams in Kuzbass. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2018, no 1, pp. 3-15. [In Russ].

42. Oparin V. N. Theoretical fundamentals to describe interaction of geomechanical and phys-icochemical processes in coal seams. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh isko-payemykh. 2017, no 2, pp. 3-19. [In Russ].

43. Oparin V. N., Simonov B. F., Yushkin V. F., Vostrikov V. I., Pogarskiy Yu. V., Nazarov L. A. Geo-mekhanicheskie i tekhnicheskie osnovy uvelicheniya nefteotdachi plastov v vibrovolnovykh tekh-nologiyakh [Geomechanical and technical background for enhancement of reservoir recovery in vibrowave technologies], Novosibirsk, Nauka, 2010, 404 p.

44. Emanov A. F., Emanov A. A., Fateev A. V., Leskova E. V. The technogenic ML=6.1 Bachatsky earthguake of 18 june 2013 in Cuzbass: the world strongest event during mining operations. Seismic Instruments. 2017. Vol. 53. no 4, p. 323.

45. Seleznev V. S., Emanov A. F., Solovyev V. M., Kashun V. N., Emanov A. A., Babushkin S. M., Li-seikin A. V. Seismological technologies of GS SB RAS at research of Siberian territory. 16th SEISMIX. International Symposium on Multi-scale Seismic Imaging of the Earth's Crust and Upper Mantle. (Castelldefels, Barcelona, Spain, 12-17 October, 2014): Abstracts. 2014. P. 47.

информация об авторах

Опарин Виктор Николаевич1 — член-корреспондент РАН, д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий отделом, e-mail: [email protected],

Адушкин Виталий Васильевич1 — академик РАН, советник РАН,

д-р физ.-мат. наук, e-mail: [email protected],

Институт динамики геосфер РАН,

Юшкин Владимир Федорович1 — д-р техн. наук,

ведущий научный сотрудник, e-mail: [email protected],

Потапов Вадим Петрович1 — д-р техн. наук, профессор,

директор, Институт вычислительных технологий

СО РАН (Кемеровский филиал), e-mail: [email protected],

1 Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН.

Для контактов: Опарин В.Н., e-mail: [email protected].

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

V.N. Oparin1, Corresponding Member of Russian Academy of Sciences, Dr. Sci. (Phys. Mathem.), Professor, Head of Department, e-mail: [email protected],

V.V. Adushkin1, Аcademician of Russian Academy of Sciences,

Advisor of Russian Academy of Sciences, Dr. Sci. (Phys. Mathem.),

Institute of Geosphere Dynamics of Russian Academy of Sciences,

119334, Moscow, Russia, e-mail: [email protected],

V.F. Yushkin1, Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher, e-mail: [email protected],

V.P. Potapov1, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Director,

Institute of computer technology, Kemerovo branch,

Siberian Branch of Russian Academy of Sciences,

650025, Kemerovo, Russia, e-mail: [email protected],

1 Chinakal Institute of Mining of Siberian Branch

of Russian Academy of Sciences, 630091, Novosibirsk, Russia.

Corresponding author: V.N. Oparin, e-mail: [email protected].

приложение

86°5* 86°10' Кб°15' К6°20'

Рис. 4. Карта эпицентров зарегистрированных землетрясений за период 2 марта — 14 мая 2012 г.: 1 — магнитуда сейсмических событий (ml); 2 — зона концентрации промышленных взрывов [27]

Fig. 4. Map of epicenters of recorded earthquakes from March 2 to May 14, 2012 1—magnitude of seismic events (ML); 2—concentration zone of production blasts

Рис. 6. Сканированное изображение аншлифа угля для определения компонентов пористости

Fig. 6. Scanned image of polished coal microsection for determination of porosity components

а)

Рис. 10. Вид сверху поверхности уступа глинизованного песчаника в местах раскрытия трещин (а) и расстояния между берегами протяженных древовидных трещин, м (б) Fig. 10. Top view of mudded sandstone bench at the site of crack opening (a) and distances between edges of long tree-pattern cracks, m (b)

б)

Рис. 11. Фрагменты откосов, характерные для песчаника (а), где выходы блоков и кусков породы на поверхность обнажения образованы преимущественно естественными трещинами наклонной ориентации, и алевролита (б) с характерными разрушениями уступа крутопадающими или практически вертикальными трещинами под воздействием сезонных и суточных перепадов температуры, ветровой эрозии, атмосферных осадков Fig. 11. Benches of sandstone (a) with exposed blocks and rocks mostly represented by oblique natural joints and silt-stone (b) with typical high-dip or vertical cracks caused under seasonal and daily temperature difference, wind erosion and precipitation

а) б)

Рис. 12. Схема развития и перехода трещин по глубине слоев грунта в периоды оттаивания (а) и развитие трещин в блоках в условиях одноосного сжатия«одномерной» модели блочной среды (б) при отсутствии бокового отпора с усилием, равным прочности на изгиб породы, из которой изготовлены блоки [38]

Fig. 12. Schematic in-depth growth of cracks and their intersection with soil layers during thawing (a) and propagation of cracks in one-dimensional model blocks in the absence of lateral earth pressure but under uniaxial compression equal to bending strength of rock the blocks are made of (by [38])

w as-

Рис. 13. Фрагмент карты глубинных разломов в Кузбассе по данным ВСЕГЕИ [24, 25] с указанием эпицентров землетрясений по каталогу ИФЗ РАН [27]. Разломы показаны жирными линиями, эпицентры — звездочками

Fig. 13. Fragment of deep faulting map of Kuzbass by data of VSEGEI [24, 25] with marked epicenters of earthquakes according to the catalog of the Institute of the Earth's Physics, RAS [27]. Faults are shown with solid lines, epicenters are denoted by asterisks.