CC BY
47
СЕМИНАР 17
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© С.А. Константинова, А.А. Гуляев, А.Д. Ярушин, 2001
' ч —
УДК 622.831
С.А. Константинова, А.А. Гуляев, А.Д. Ярушин
ОБ УЧЕТЕ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ФАКТОРОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В ВЕРХНЕКАМСКОМ РЕГИОНЕ
На территории Верхнекамского промышленного региона действуют высокие техногенные нагрузки на недра. Более 65 лет эксплуатируется уникальное по запасам и единственное в России разрабатываемое Верхнекамское месторождение калийно-магниевых солей (ВКМКС). В настоящее время на территории ВКМКС ведётся эксплуатация пяти месторождений нефти и накопленная за 20 лет добыча составила более 30 млн. тонн. В пределах калийного месторождения из надсолевых водоносных горизонтов ежесуточно откачивается 150-200 тыс. м3 пресных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения, эксплуатируются три крупных водохранилища, в том числе Камское.
Высокая и длительная техногенная нагрузка на недра в сочетании с особенностями геологической среды [1] привела к изменению естественного геодинамического режима в осадочном чехле и, может быть, в верхней части земной коры, о чем свидетельствуют следующие факты.
• На ВКМКС произошли 2 чрезвычайных события, достаточно подробно описанные в литературе (1986 г. - затопление Третьего Березниковского рудника; 1995 г. - горно-тектонический удар на Втором Соликамском руднике), которые не предварялись сколько-нибудь значительными признаками и не могут быть объяснены в рамках действующих на месторождении документов.
• Усилилась сейсмическая активность недр, о чем свидетельствуют 3 события, которые по энергетическому классу относятся к землетрясениям (25.10.93 г., 05.01.95 г., 09.10.97 г.) и более 2-х десятков микроземлетрясений, положение эпицентров которых совпадает в плане с подрабо-
танными калийными рудниками территориями городов Соликамск и Березники с общей численностью населения более 300 тыс. человек;
• По данным инструментальных маркшейдерских наблюдений на некоторых шахтных полях происходят ускоренные (по сравнению с расчетными в соответствии с нормативными документами) оседания земной поверхности.
• На некоторых рудниках имеет место аномально высокая напряженность и вызванная ею неустойчивость кровли
горно-капитальных выработок, пройденных по подстилающей каменной соли.
• По данным визуальных шахтных наблюдений бетонная крепь сравнительно недавно построенных шахтных стволов калийных рудников на ВКМКС разбита системой горизонтальных трещин.
Первый Соликамский рудник введен в эксплуатацию в 1935 году, Первый Березниковский - в 1954 году. В настоящее время в процесс деформирования под действием техногенных нагрузок, связанных с добычей калийных руд, вовлеклись участки подработанной породной толщи, включая земную поверхность, расположенные на значительном удалении от действующих рудников, но находящиеся в зоне геодинамического опорного давления [2]. На таком масштабном уровне блоковое строение породной толщи стало проявляться как существенный природный фактор. Под влиянием изменяющегося при ведении горных работ поля напряжений в породной толще даже неактивное в регионе тектоническое нарушение могло стать активным.
Рис. 1. Участок исследования, горные отводы рудников, блоковая модель породной толщи, геодина-мические события
I I Граница участка исследований
I I Техническая граница шахтного поля рудоуправления
© Скважины
Провальные образования (¿) Эпицентр землетрясения 9.10.1997г.
• Участок порыва водовода Разломные зоны:
Фанерозойские
В связи с вышесказанным при проектировании и строительстве подземных сооружений гражданского и промышленного назначения в Верхнекамском регионе на территориях, подрабатываемых рудниками, следует учитывать
• блочное строение породного массива, формирующее естественное поле напряжений;
• техногенные нагрузки, которые обусловлены извлечением из недр полезного ископаемого, зависят от горно-геологических и горнотехнических факторов и изменяются во времени и в пространстве.
В рамках настоящей работы остано-вимся на первом положении.
На рис. 1. представлен фрагмент блоковой модели породного массива Верхнекамского региона, которая построена [1] на основе результатов анализа материалов гравиметрической съемки масштаба 1:25000 и аэромагнитной съемки масштаба 1:10000 для участка, границы которого охватывают горные отводы Первого и Второго Березниковских рудников, горные выработки которых подрабатывают г. Березники, пос. Н.-Зырянка, Дурыманы, Косевское и др.
Все линейные структуры на рис. 1, выявленные в результате геофизических исследований как аномалии гравитационного и магнитного полей, коррелируют с рельефом земной поверхности, нашедшим отражение в современной речной сети. Их можно интерпретировать как зоны повышенной трещиноватости пород («разломы» IV-V рангов) в надсолевой и, может быть, в солевой породной толще, вопрос о генезисе и степени активности которых остается пока открытым.
К участку приурочены следующие негативные события (см. рис. 1):
• провальные образования суффозионной природы на земной поверхности [3];
• землетрясение 09.10.97 г. [4];
• порыв водопровода на промплощадке Второго Березниковского рудника.
Из рис. 1 видно, что местоположение негативных событий территориально коррелирует с областями динамического влияния НовоЗырянского и Косевского «разломов».
На Втором Березниковском руднике, который работает с 1969 г., в области узла пересечения «разломов» в однородном и достаточно прочном в штатных горно-геологических условиях массиве подстилающей каменной соли пройдены горно-капитальные выработки, которые пришли в крайне неустойчивое состояние за период времени в 2-3 раза меньший, чем рассчитанный по отраслевым методикам [5].
Для оценки поля естественных напряжений в породном массиве на участке исследований была принята блоковая схема, представленная на рис.1. Задачу о напряженном состоянии породной толщи решали методом конечных элементов в упругой постановке для условий обобщенной плоской деформации. Возможность решения задач такого типа в данной постановке обоснована в [6-9].
Был использован реализованный в конечноэлементном пакете собственной разработки алгоритм вложенных расчетных схем [7-9].
Были приняты следующие рабочие гипотезы:
• горизонтальные силы в породной толще имеют гравитационную и тектоническую природу;
• сначала образовались все породы, а потом одновременно возникли все «разломы»;
• все завершившиеся геологические процессы можно моделировать актуальными физикомеханическими свойствами горных пород;
• блочность породного массива является основным фактором, который формирует поле естественных напряжений.
В такой постановке далее речь идет об оценке верхней границы естественного поля напряжений по критерию максимальных касательных напряжений. Заметим, что нижняя граница естественного поля напряжений породного массива - гидростатическое поле напряжений как наиболее равновесное из всех возможных напряжённых состояний (ттах=0).
«Межблоковые» (разломные) зоны моделировали обычными треугольными элементами. Толщина этих зон составляла (2^5)-10-2 от линейного размера блока [10]. Модуль деформации материала, слагающего блоки, принят в соответствии с [6]: Е0=1-104 МПа. Соотношения модулей деформации геоматериалов в «разломах» (Е) и в блоках (Е0) приняты в соответствии с рекомендациями ВНИМИ: для «разломов» ГУ-го ранга -
0,8; У-ого - 0,9. Коэффициент Пуассона для геоматериала блоков и разломов принят равным 0,3 [6].
В расчетах принимали, что вертикальная нагрузка Т2 = уН (где у - средний объемный вес вышележащих пород, Н - глубина от земной поверхности того горизонтального сечения, для которого проводятся расчеты).
Горизонтальные нагрузки Т и Т3 принимали из решения по методике вложенных расчетных схем задач о напряжениях в Евразийской плите, Волго-Камском геоблоке, Среднем Урале, При-уралье и Верхнекамском регионе [7-9,11]. Для задач каждого иерархического уровня было установлено удовлетворительное совпадение рассчитанных напряжений с измеренными в горных выработках методом разгрузки.
Таким образом, в методике вложенных расчетных схем, основанной на многостадийном подходе к решению задач геомеханики, учитываются нагрузки, обусловленные тектоникой высшего иерархического уровня (с предыдущей расчетной схемы).
Для Верхнекамского региона в целом и рассматриваемого участка значение вертикальной составляющей вектора напряжений Т2 находится между значениями горизонтальных составляющих (Т3<Т2<Т1), что соответствует напряженному состоянию типа «сдвиг» [12].
Методом конечных элементов оценивали величины Сср^уН^ ^max^-H^ Оmax/уН, ^тт^У-Н^ °max/ О
min, Ц.8 (где Оср - среднее напряжение, TWx - максимальное касательное напряжение, omax и omin -соответственно максимальное и минимальное главные субгоризонтальные напряжения, ц8 -параметр Лоде-Надаи для тензора деформаций), а также вид разрывных смещений (взброс, сброс, сдвиг) в соответствии с [12].
Некоторые результаты оценки естественных напряжений в породном массиве на участке исследований иллюстрируются на рис. 2-4.
Установлено, что
• наибольшее главное напряжение действует преимущественно в субширотном направлении;
• преимущественный тип деформированного состояния породной толщи -"сжатие";
• преимущественный вид разрывных смещений породной толщи - "сдвиг";
• вне областей динамического влияния «разломов» естественное поле напряжений характеризуется компонентами оср =1,1 уН, фт^=0,2 уН; Omax<1,4 уН; Отт > 0,9 уН;
аі/уН
Б1
1,5891 1,5631 1,5371 1,5111 1,4852 1,4592 1,4332 1,4072 1,3812 1,3553 1,3293 1,3033 1,2773 1,2513 1,2254 1,1994 1,1734
Рис. 2. Распределение относительного максимального нормального напряжения оУуН в породной толще, направления и соотношение главных нормальных горизонтальных напряжений
• в областях динамического влияния «разломов» естественное поле напряжений характеризуется повышенными значениями максимальных касательных напряжений (см. рис. 3).
Рассчитанное естественное поле напряжений соответствует известным тектонофизическим данным. В пользу наличия тектонической составляющей в тензоре естественных напряжений в породной толще на территории ВКМКС говорят
• общая форма соляной залежи, а также вы-
тянутость почти всех поднятий (с ам-
плитудой от 50 до 170 м) и прогибов (с амплитудой от 80 до 180 м) в меридиональ-
ном направлении и совпадение их условных осей с направлением Уральской складчатой структуры;
• линейная форма в плане и западная вер-гентность всех пликативных структур соляной толщи;
• наличие трещин скола (сдвига) в покровной каменной соли, обнаруженных при проходке стволов.
С позиции влияния неучтенных в отраслевых методиках природных факторов неудовлетворительное состояние горнокапитальных выработок на Втором Березниковском руднике можно объяснить
• их меридиональным направлением, перпендикулярным оси наибольшего главного естественного напряжения;
• пониженными прочностными и деформационными характеристиками горных пород в области динамического влияния «разломов»;
Ттах/уН
Рис. 3. Распределение относительного максимального касательного напряжения Т^х/уН в породной толще, направления и соотношение главных нормальных горизонтальных напряжений
• активностью в настоящее время Косевско-го «разлома» направления «юго-восток - северо-запад».
О возможной активности Косевского «разлома», длительное время находящегося в области геодинамического опорного давления и параллельного активному на современном этапе Пред-тиманскому глубинному разлому, отделяющему Волго-Уральскую область от Тимано-Печерской [13], могут свидетельствовать
• порыв водопровода (см. рис. 1);
• землетрясение 09.10.97 г. [4].
На основе результатов оценки естественного поля напряжений в породной толще на участке исследований можно предложить следующие общие рекомендации по проектированию и строительству подземных сооружений гражданского (коллекторы, подземные хранилища газа и
лечебницы) и промышленного (выработки для утилизации отходов, капитальные и подготовительные выработки рудников) назначения в Верхнекамском регионе
• располагать подземные сооружения следует в однородных по естественному напряженному состоянию породных блоках вне областей динамического влияния «разломов»;
• оси протяженных подземных сооружений следует направлять широтно.
Для улучшения геомеханической ситуации в калийных рудниках и на подрабатываемых территориях следует, видимо, переориентировать общее регональное направление разработки месторождения.
Естественное поле напряжений в самой соляной толще, которая находится между терри-генно-карбонатными комплексами и имеет
0,38174
0,42028
0,45883
0,49738
0,53592
0,57447
0,61302
0,65156
0,69011
0,72866
0,7672
0,80575
0,8443
0,88284
0,92139
0,95994
0,99848
Рис. 4. Параметр Лоде-Надаи породной толщи, направления и соотношение главных нормальных горизонтальных напряжений
мощность до 500 м, близко к гидростатическому. Соль в процессе течения полностью релак-сирует тектонические напряжения с точностью до межслоевой неоднородности. Существенная слоевая неоднородность может способствовать созданию систем заполняемых слабыми компонентами трещин и полостей, а также внут-рипластовых складок, изменяющих естествен-
ное напряженное состояние породного массива. Но это уже естественные тектонические напряжения следующего иерархического уровня, которые могут обусловить аномальное проявление горного давления вокруг выработок в калийных рудниках [14]. Их следует учитывать при проектировании подземных сооружений различного назначения в соляных породах.
1. Филатов В.В., Кассин
Г.Г., Попов Б.А. Геофизические исследования на Верхнекамском месторождении калийно-
магниевых солей // Изв. вузов. горный журнал.- 1995.- № 6.- с. 150-161.
2. Шемякин Е.И., Курленя М.В., Кулаков Г.И. К вопросу о
классификации горных ударов // ФТПРПИ.- 1986.- № 5.
3. Роль и соотношение эндогенных, экзогенных и техногенных процессов в негативных явлениях на Верхнекамском месторождении калийно-
магниевых солей / Константинова С.А. и др. // Геомеханика в горном деле - 2000.- Доклады
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
междунар. конф. 29 мая-2 июня 2000 г.- Екатеринбург: УрО
РАН.- 2000.- с. 274-287.
4. Маловичко А.А., Кустов
А.К., Шулаков Д.Ю. Землетрясение в районе второго Березниковского пруда 9 октября 1997 г. // Горные науки на рубеже XXI века.- Материалы Междунар.
конф. 1997 г. - Екатеринбург: УрО РАН.- 1998.- с. 165-171.
5. Константинова С.А. Методика выбора рациональной формы сечения капитальной выработки в массиве соляных пород // Шахтное строительство.-М.: Недра.- 1988.- №6.- с. 1819.
6. Управление горным давлением в тектонически напряженных массивах / Козырев
А.А., Панин В.И., Иванов В.И. и др.- Апатиты: КНЦ РАН, 1996.159 с.
7. Константинова С.А., Хронусов В.В. К оценке региональных напряжений в верхней части земной коры Урала и Вол-го-Камского геоблока в рамках модели блочного массива // ФТПРПИ. - 1998. - № 5. - С.60-70.
8. Хронусов В.В., Константинова С.А., Барский М.Г., Филатов В.В. К оценке регио-
нальных напряжений в верхней части земной коры Среднего Урала и Пермского Приуралья // ФТПРПИ. - 1999. - № 4. - С. 33-42.
9. Хронусов В.В., Филатов
В.В., Константинова С.А., Кузнецов Н.В. К оценке региональных напряжений в верхней части земной коры Верхнекамского региона // Изв. вуз. Горн. журн. -1999. - № 2. - С.20-24.
10. Курленя М.В., Опарин
В.Н., Еременко А.А. Об отношении линейных размеров блоков горных пород к величинам раскрытия трещин в структурной иерархии массивов // ФТПРПИ.
- 1993. - № 3. - с. 3-10.
11. Константинова С.А., Чернопазов С.А. Естественное напряженное состояние массива горных пород верхней части земной коры и осадочного чехла Верхнекамского региона // Геомеханика в горном деле - 2000.-
Доклады междунар. конф. 29 мая-2 июня 2000 г.- Екатеринбург: УрО РАН.- 2000.- с. 37-47.
12. Ярошевский В. Тектоника разрывов и складок. - М.: Недра. - 1981. - 245 с.
13. Зубков А.В., Липин Я.И. Исследования поля тектонических напряжений земной коры Урала и его связи с тектоническим развитием // Проблемы геодинамики, сейсмичности и минерагении подвижных поясов и платформенных областей литосферы.- Материалы междунар. конф.- Екатеринбург: УрО РАН.- 1998.- с. 80-82.
14. Константинова С.А., Хронусов В.В. Проявление горного давления вокруг подземных горных выработок в калийных рудниках в случае негидростатического начального напряженного состояния // ФТПРПИ. - 1999.
- № 2. - С.25-34.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =
/-------------------------------------------------------------------------------7
Константинова Светлана Александровна - доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией гео-динамической безопасности, Уральский научно-исследовательский и проектный институт галургии, г. Пермь. Гуляев Андрей Александрович - младший научный сотрудник, аспирант, Уральский научноисследовательский и проектный институт галургии, г. Пермь.
Ярушин Анатолий Дмитриевич - старший научный сотрудник, Уральский научно-исследовательский и проектный институт галургии, г. Пермь.
Z
/
