CC BY
23
УДК 622.83; 551.21.3
Мельник Виталий Вячеславович
кандидат технических наук, заведующий лабораторией, Институт горного дела УрО РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: melnik@igduran. ru
Ведерников Андрей Сергеевич
младший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН e-mail: avedernikov@igduran.ru
DOI: 10.18454/2313-1586.2016.01.035
Melnik Vitaly V.
candidate of technical sciences,
the head of the laboratory,
the Institute of mining, the Ural branch,
Russian academy of sciences,
620075, Yekaterinburg,
Mamin-Sibiryak st., 58
e-mail: melnik@igduran.ru
Vedernikov Andrey S.
researcher,
the Institute of mining, the Ural branch, Russian academy of sciences e-mail: avedernikov@igduran.ru
ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ БАЗЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ О ПАРАМЕТРАХ СОВРЕМЕННЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ
FIRSTCREATIONSTEPSOF THE DATABASE OF THE EXPERIMENTAL DATA OF ACTUAL GEODYNAMIC MOVEMENTS
Аннотация:
Приведены описание и обоснование основных параметров результатов исследований современных геодинамических движений на примере нескольких обследованных участков.
Ключевые слова: геодинамика, геодинамические движения, геоинформационная система, прогноз, деформации массива, спутниковая геодезия, современная геодинамическая активность, недропользование
Abstract:
Text shows first steps of collecting data for GIS that consist of experimental data of modern geodynamic activity surveys.
Keywords: geodynamics, geodynamic movements, GIS, forecast, rock massive deformation, satellite geodesy, modern geodynamic activity, subsurface use
Безопасность объектов недропользования, уровень риска возникновения катастроф при их строительстве и эксплуатации зависят от соответствия их конструкций свойствам массива горных пород, процессам и явлениям, протекающим в естественных условиях и в областях техногенной деятельности. Зачастую свойства массива горных пород остаются недостаточно оцененными в силу каких-либо обстоятельств, особенно с точки зрения современной геодинамики. Процессы вторичного структурирования, определяющие иерархически блочную структуру массива горных пород, происходят как в естественных условиях, так и в областях техногенного воздействия объектов недропользования и относятся к важнейшим факторам, формирующим дискретный характер напряженно-деформированного состояния [1]. В пассивном, неподвижном массиве горных пород проявления деструкции и самоорганизации исключаются. Для их реализации необходимо изменение напряженно-деформированного состояния, источником которого в естественных условиях выступают современные геодинамические движения.
Таким образом, массив горных пород представляет собой иерархически блочную среду, в которой под воздействием современных геодинамических движений формируется неоднородное напряженно-деформированное состояние с дискретным распределением напряжений и деформаций за счет межблочных подвижек.
Информация о современной геодинамической активности регионов должна являться основополагающим материалом при выборе участков строительства ответственных сооружений и их конструктивных особенностей. Аналитические исследования, про-
водимые отделом геомеханики Института горного дела УрО РАН, показали, что геодинамические параметры в различных регионах сильно различаются по величине, а формирование очагов катастрофических событий приурочено к максимальным значениям параметров современной геодинамической активности регионов. Нередко такая подвижность приводит к заметным изменениям целостности массива горных пород и земной поверхности, что, в свою очередь, может повлечь нарушение функционирования объектов инженерной инфраструктуры [2]. Для того, чтобы спрогнозировать подобные явления как при эксплуатации объектов недропользования, так и при их проектировании и строительстве, необходимы натурные измерения активности геодинамических движений с использованием как традиционных, так и спутниковых методов геодезических исследований [3].
По мере накопления экспериментальных данных отделом геомеханики на протяжении последних 15 лет возникла необходимость их систематизации. Определение параметров трендовых и цикличных современных геодинамических движений выполнено более чем на 25 объектах недропользования, охватывающих территорию России и Казахстана от Центрального региона до Якутии. На их основе в 2013 году была создана, а в 2014 году зарегистрирована «База экспериментальных данных о параметрах современных геодинамических движений» [4]. Из нее следует, что современные геодинамические движения происходят во многих регионах, независимо от того, к сейсмичной или асей-смичной категории они относятся. Однако их количественные показатели достаточно сильно различаются. В целом база данных имеет табличную форму, но при необходимости может быть отображена графически с помощью любых картографических и ГИС-программ, работающих с табличной информацией.
При наполнении базы данных возник вопрос о классификации первичных данных по каким-либо параметрам. Экспериментальными исследованиями выявлены два вида современных геодинамических движений - трендовые и цикличные. Трендовые движения происходят в виде взаимных подвижек соседних структурных блоков массива горных пород с относительно постоянными скоростью и направлением в течение продолжительного промежутка времени, сопоставимого со сроком службы объекта [5]. Цикличные движения носят полигармонический характер и слагаются из многочисленных знакопеременных движений с разными частотами и амплитудами перемещения в циклах [6].Трендовые движения могут иметь как естественную природу, обусловленную тектоническими подвижками по границам структурных блоков, так и техногенную, обусловленную перераспределением напряжений и деформаций в породном массиве под воздействием горных работ, откачки подземных вод и других факторов. Короткопериодные цикличные движения имеют широкий полигармоничный спектр частот с продолжительностью циклов от 30 - 60 с до 1 ч, нескольких часов, суток и более.
Поскольку характер трендовых и цикличных движений разный, напрямую их сравнивать нельзя, следовательно, первым параметром, учитываемым при наполнении базы данных, является тип определяемых геодинамических движений - трендовые или циклические. Все измерения по определению компонент трендовой и цикличной геодинамической активности производились с использованием комплекса спутниковой геодезии GPS-ГЛОНАСС, позволяющего с высокой точностью определять пространственные координаты точек на земной поверхности. При этом в режиме дифференциальной GPS изначально определяется вектор - приращение координат в геоцентрической системе между фазовыми центрами двух и более антенн приемников, отцентрированных над пунктами геодезической сети, координаты которых необходимо определить [5]. В дальнейшем совокупность полученных векторов, образующая пространственную геодезическую сеть, проходит контроль на точность геометрических построений путем определения фактических невязок по замкнутым контурам и математически строго уравнивается в принятой системе координат - центрируется и ориентируется. Далее определяются современные пространственные координаты пунктов государственной геодезической,
маркшейдерско-геодезической сети, реперов геодинамического полигона, а при их сопоставлении с ранее полученными исходными значениями определяются геодинамические подвижки, происходящие в массиве горных пород.
Чтобы определить следующий параметр, необходимо обратиться к экспериментальным данным. Рассмотрим для примера определение геодинамической обстановки в районе Коркинского угольного разреза [7]. Горными работами в западном борту Коркин-ского разреза вскрыта мощная сложнопостроенная тектоническая зона, состоящая как минимум из пяти тектонических нарушений субмеридионального простирания. Кроме того значительные нарушения вскрыты в восточном борту (рис. 1).
/ ¡л.
? / /1 / /« / У/ /
А .< / ; 1 /
/ /' А
Г ' г / // / // 1
1 / ____ Г/ ]
V/ уД // ч ¿е-
и и ( 1% К т / 7
\t\Ci щ ш 1 / У
/У , - 7
/С* У /X/"/ /у У
У
Рис. 1 - Основные тектонические нарушения Коркинского разреза
Спровоцированное горными работами усиление современных геодинамических движений привело к нарушению целостности прилегающих зданий и сооружений. Так, на производственных зданиях самого предприятия наблюдаются многочисленные трещины, а близлежащий поселок Роза частично отселен, а жилые здания в целях безопасности разрушены.
В ходе выполнения инструментальных наблюдений проводилась оценка геодинамической активности массива горных пород и земной поверхности вокруг территории разреза «Коркинский». Трендовые движения определялись на больших базах (до 20 км). На исследуемой территории для измерений выбран пункт геодезической сети I класса Томинский, от которого развивалась вся геодезическая сеть района (рис. 2). По полученным разностям пространственных координат были вычислены изменения длины линий и превышений между пунктами геодезической сети, а также отстроены полные векторы смещений пунктов, отражающие произошедшие за этот период трендовые движения и вызванные ими деформации. Векторы смещений являются достаточно информативными данными о деформационных процессах, позволяющими далее расчетным путем определить все необходимые параметры деформаций. На этом этапе от выбранного исходного пункта переопределены координаты остальных пунктов этого же и более низкого класса точности. Данный пункт удовлетворяет условиям более высокого класса, также он расположен на значительном удалении от источников техногенной нагрузки - карьеров и отвалов.
Рис. 2 - Схема расположения пунктов геодезической сети (по материалам Панжина А.А.)
После выполнения ряда математических процедур по ориентированию геодезической сети было произведено ее строгое уравнивание по методу наименьших квадратов с фиксацией пространственных координат.
По результатам расчетов построены вектора сдвижений с использованием двух методов - как рассчитанные от «условно-неподвижного» пункта Томинский, так и с использованием метода наименьших квадратов, когда расхождения пропорционально распределяются по всем пунктам. Использование расчетов от опорных точек рекомендуется выполнять для пунктов классом не ниже I, так как только в таком случае можно полагаться на их «условно-неподвижное» состояние.
Максимальные зарегистрированные трендовые горизонтальные сдвижения составили 360 мм для первого метода и 320 мм для второго. Вертикальные смещения реперов (оседания) составили 660 и 580 мм, соответственно. Как видно из полученных результатов и сути методов расчета, значения, полученные разными методами, также не следует напрямую сравнивать. Соответственно, второй основной параметр - это методика расчета сдвижений: с «условно-неподвижным» пунктом, по методу наименьших квадратов и др. Пример графического представления в описываемой базе данных приведен на рис. 3.
Для определения третьего параметра рассмотрим еще один объект в качестве примера. Работы по определению современных геодинамических движений проводились в рамках сейсмического микрорайонирования [8] территории ОАО «Институт реакторных материалов» вблизи г. Заречный Свердловской области. Методика работ аналогична представленной выше для Коркинского разреза. Участок находится вдалеке от каких-либо крупных техногенных источников изменений геодинамической обстановки. На
исследуемой площади произведено переопределение координат восьми пунктов II и III классов. Поскольку в пределах спроектированной сети спутниковых измерений на больших базах отсутствуют геодезические пункты I класса, расчеты сдвижений были произведены только по методу наименьших квадратов. По результатам расчетов максимальные трендовые горизонтальные движения составили 110 мм, вертикальные 70 мм. Напомним, для Коркинского разреза аналогичные значения составили 320 и 580 мм, соответственно.
Рис.3 - Карта горизонтальных сдвижений пунктов полигонометрии
Главное отличие этих двух объектов с точки зрения наполнения базы данных в том, что площадка ОАО «ИРМ» располагается в естественных условиях, в то время как Коркинский разрез является весьма значительным по влиянию на геодинамическую обстановку техногенным объектом. Схожее соотношение полученных значений наблюдается и на многих других объектах, входящих в базу экспериментальных данных. Следовательно, третий основной параметр — это то, в каких условиях находится обследуемый объект - либо в естественных природных условиях, либо в условиях, когда геодинамические движения в большей степени обусловлены техногенной деятельностью.
Таким образом, для информации, вносимой в базу экспериментальных данных о параметрах современных геодинамических движений, помимо очевидных (географического положения, описания объекта и прочего) необходимо наличие описания следующих характеристик: тип геодинамических движений; используемые методы расчетов; геодинамические условия района.
Использование базы данных планируется в качестве прогностического аппарата, подобного картам ОСР, поскольку природа этих явлений одинакова, для предварительной оценки участков строительства по параметрам современной геодинамической активности.
Литература
1. Усанов С.В. Мониторинг трансформации структуры горного массива под влиянием процесса сдвижения / С.В. Усанов, В.В. Мельник, А.Л. Замятин // ФТПРПИ. -2013. - № 6. - С.83 - 89.
2. Озорнин И.Л. Формирование напряжений в крепи при строительстве вертикальных стволов в тектонически напряженном горном массиве / И.Л. Озорнин, Т.Ф. Харисов // Известия вузов. Горный журнал. - 2013. - № 6. - С. 60 - 67.
3. Пустуев А.Л. Исследование трендовых геодинамических деформаций при выборе площадок для строительства атомных станций / А.Л. Пустуев // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - № 1. - С. 282 - 290.
4. Свидетельство о государственной регистрации базы данных. База экспериментальных данных о параметрах современных геодинамических движений / Сашурин А.Д., Мельник В.В., Панжин А.А. и др.; заявитель и правообладатель Институт горного дела УрО РАН.- №2014620345. - 2014.
5. Современная геодинамика массивов горных пород верхней части литосферы: истоки, параметры, воздействие на объекты недропользования / В.Н. Опарин, А.Д. Сашурин, А.А. Панжин и др. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008.
6. Sashоurin A.D., Panzhin A.A., Kostrukova N.K., Kostrukov O. M. Field investigation of dynamic displacements in zone of tectonic breaking // Rock mechanics - a challenenge for society: Proceedings of the ISRM regional Simposium EUROCK 2001. - Espoo, Finland / Balkema / Rotterdam / Brookfield. - 2001.
7. Проблемы ликвидации горнодобывающих предприятий / А.Д. Сашурин, В.В. Мельник, С.В. Усанов, А.Е. Балек // Проблемы недропользования [Электронный ресурс]: рецензируемое сетевое периодическое научное издание / ИГД УрО РАН. - 2014 . - № 3. - С. 60 - 65. Режим доступа: //trud.igduran/ru
8. Зуев П.И. Геофизическая диагностика состояния массива горных пород зоны комбинированной разработки Гороблагодатского железорудного месторождения / П.И. Зуев, А.С. Ведерников, Д.В. Григорьев // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. - №11.- C. 114 - 121.
