CC BY
46
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЯ.
© М.П. Бондарев, П.М. Бондарев, И.Ю. Батырев, 2001
М.П. Бондарев, П.М. Бондарев,
И.Ю. Батырев
ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ ТЕХНОГЕННОЙ СЕЙСМИЧНОСТИ В МЕСТАХ ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Научные исследования по активизации сейсмических процессов в местах ведения горных работ начал проводить уже во второй половине прошлого века итальянский сейсмолог де Росси (1873 г.). Позже, профессор Парижской горной школы А.Э.Б. де Шанкуртуе и англичанин У.В. Браун, исходя из соображений, что землетрясения являются причиной взрыва газов на ряде шахт Франции, Бельгии и Англии, настаивали на создании сейсмических станций в угледобывающих районах этих стран. Первая сейсмическая станция в России была создана в Макеевке в 1910 году по решению Совета Союза горнопромышленников юга России. Эта станция проработала до первой мировой войны. Шахтные наблюдения показали отсутствие связи между энергией сейсмической активности и выделением метана. В 1930 году Д.Л. Левицкий высказал гипотезу, что места выбросов связаны с наличием в массиве зон со «специальным» напряжением горных пород Г.А. Коньковым в 50-х годах выдвинуто предположение о существовании зон остаточных тектонических напряжений, сохраняющих направленность по вектору давления, которые и являются выбросоопасными. В.С. Вереда уточнил расположение этих зон. На основании работ он приходит к выводу об общей природе внезапных разрушений горных пород при подземной разработке и землетрясениях, рассматривает их как детали течения горных масс и считает, что те и другие явления есть результат разрядки тектонических напряжений. Анализ горных ударов, зарегистрированных в Кизеловском бассейне, и землетрясений, зафиксированных в районе г. Кизела, на первый взгляд дают основание отрицать
какую-либо связь. Однако, например, Л.И. Баньковский, изучая геологическое строение удароопасных месторождений и тектонику вмещающих пород, высказывает мнение об идентичности природы этих явлений и о связи динамических явлений с землетрясениями в земной коре
С 1994 г. АО «Ростовуголь» столкнулось с проблемой колебаний земной поверхности, вызывавших беспокойство населения г. Шахты, проживающего в районе отработки угольного месторождения. В 1983 г., по данным заявлений граждан, в пределах города зарегистрировано 24 сейсмических явления с интенсивностью 2-4 балла. Колебания поверхности отмечаются также в г. Новошахтин-ске.
Земная поверхность в районе ведения горных работ, как правило, плотно застроена. Имеются здания повышенной этажности, где проявление толчков ощущается особенно остро. По типу сооружений они разные:
• из рваного камня, кирпича-сырца и глинобитные (тип А);
• кирпичные (тип Б);
• каркасы железобетонные (тип В).
Здания построены преимущественно без антисейсмических элементов.
Сложившаяся обстановка вынудила общественность города обратиться к руководству объединения с требованием постановки необходимых исследований по изучению землетрясений и их прекращению или уменьшению силы колебаний .
По заданию ПО «Ростовуголь» в январе-феврале 1992 г. ВНИМИ были проведены работы по исследованию возможности построения системы наблюдения на шахтах объединения с целью выработки решения по снижению сейсмического эффекта, вызывающего сотрясение земной поверхности в районе жилых и производственных зданий и сооружений. По результатам работ были разработаны технические предложения по использованию системы регионального контроля для исследований природы возникновения сейсмических толчков и последующего контроля за их проявлением, который лег в основу «Автоматизированной системы
контроля удароопасности» для исследования и последующего контроля влияния сейсмического эффекта на жилые здания и сооружения (АС РКУ).
В мае 1993 г. был запущен 1 этап АС РКУ. В ее задачи входят:
1. Обеспечение непрерывного контроля за состоянием горного массива с целью выявления зон повышенного проявления частоты и мощности сейсмических очагов.
2. Выявление наличия (отсутствия) связи местоположения зон и технологии разработки угольных пластов.
3. Разработка рекомендаций по выявление природы возникновения сейсмических очагов.
4. Прогноз и оценка возможных динамических проявлений в горном массиве.
5. Разработка рекомендаций по рациональной и безопасной технологии добычных работ.
В состав АС РКУ входят: датчики-
акселерометры, телеметрическая аппара-
тура приема и передачи сейсмической информации, линии связи (кабели, радиоканалы), персональные компьютеры типа IBM PC/AT, программное обеспечение для обработки получаемой информации.
Система принимает сейсмические колебания, преобразовывает их в электрические сигналы достаточного уровня мощности, передаваемые по кабельным линиям связи или по каналу радио-
связи на персональный компьютер IBM PC/AT. Ввод информации в компьютер осуществляется через блок аналого-цифрового преобразования и коммутации. Поступающая на вход информация анализируется по 36-ти каналам и при появлении на входе события накапливается на жестком диске. Каждый канал находится в своем файле в символьном формате. Информация по мере накопления переносится на второй компьютер по последовательному порту или через дискету. Во втором компьютере информация обрабатывается (рассчитывается энергия и длительность колебания, координаты очага) и заносится в каталог. Результаты обработки образуют базу данных и при необходимости выводятся на принтер в виде изолиний и зон сейсмической активности с отметками зафиксированных явлений.
В настоящее время запущены в работу семь сейсмопавильонов, пять из которых расположены в подземных выработках шахты «Южная» на пласте і3Н, опасном по горным ударам, и два сейсмопавильона расположены на поверхности, на территории города Шахты.
Попытки увязать сейсмическую активность горного массива с интенсивностью отработки пластов і3Н результатов не дали. Всплески и
ис. 1. Сопоставление зависимости оличества сейсмических событий ) от суммарной вынимаемой плоЩ ади очистных забоев (2) по пласту 1 шахты «Южная»
затухания количества землетрясений происходят на фоне плавно изменяющейся добычи (рис. 1).
Среди специалистов наибольшей популярностью пользу
зуется мнение о том, что сотрясения горного массива под г. Шахты связаны с разрушением целиков пород, оставшихся в результате отработки угольных пластов к21, к2н, расположенных на глубине до 350 м, шахтами «Нежданная» и «Красина». Уже первые данные, полученные сейсмической станцией «Дон», заставили по-новому взглянуть на эту проблему. Проводимые с мая 1993 г. наблюдения показали местоположение очагов разрушения пород, характер их распределения и некоторые особенности поведения сейс-
мических волн. Наибольшее количество зафиксировано на уровне ведения горных работ, в интервале глубин 450-900 м. На глубинах 350 м и более километра (до 4000 м) отмечаются единичные случаи их проявления.
Под городом Шахты, в местах землетрясений, горные работы ведет шахта «Южная». Отрабатываются пласты и ^ мощностью до 1,5 м на Южном крыле Шахтинско-Несветаевской антиклинали. Горный массив здесь имеет слоистое строение. Сложен он чередующимися слоями аргиллитов, алевролитов, песчаников, известняков и пластами угля. Анализ полученной информации позволяет сделать выводы о том, что участок в горном массиве, к которому тяготеет большинство очагов, характеризуется следующими особенностями (рис. 2):
• это место современного ведения работ;
• крыло антиклинали на этом участке имеет перегиб;
• здесь происходит выклинивание части слоев песчаников.
Полученная с помощью сейсмостанции «Дон» информация позволяет делать выводы об особенностях поведения горного массива в местах отработки угольных месторождений.
По данным «Группы по наблюдениям за сдвижением поверхности и охране подрабатываемых объектов и сооружений шахты «Южная», просадкой компенсируется около 60% отрабатываемой мощности угольного пласта, что составляет примерно 0,9 м. Просадочные явления обычно стабилизируются за два года. Остальная часть (~0,6 м) возмещается воздыманием (пучением) нижележащих пород и расходуется на ра-зинтегрирование массива. Размеры этих величин пока неясны.
Приуроченность основной части очагов разрушения пород к местам современного ведения работ показывает на то, что главной причиной возбуждения сейсмических процессов является отработка угольных пластов ^н и В то же время, отсутствие
связи между интенсивностью отработки угольных пластов и количеством сейсмических событий свидетельствует о том, что производственная деятельность только способствует их активизации, по-видимому в периоды обострения тектонической деятельности массива.
Очаг, зарегистрированный сейсмической станцией 23.03.93 г. на глубине 750 м, проявился но поверхности сотрясением почвы силой до трех баллов. Взаиморасположение очага и места проявления землетрясения на поверхности свидетельствуют о том, что распространение энергии происходило по естественному волноводу, наиболее вероятно по слоям песчаника.
Тяготение очагов к перегибу слоев пород и месту выклинивания песчаников свидетельствует о наличии здесь высоконапряженных пород, сжатых в результате технических подвижек. Очаги, зарегистрированные на глубине до 350 м, являются, по-видимому, следствием разрушения оставленных целиков шахт «Нежданная» и «Красина». Роль их в общем балансе весьма незначительна. Проявление событий на глубинах до 4000 м показывает на высокую степень упругости горного массива. Не исключено, что в массиве могут находиться зоны с большими запасами накопленной энергии, способные разрядиться под влиянием горных работ в любое время. Рис. 2. Схема строения горного
Детали ме- массива и расположения очагов ханизма подго- разрушения пород в полях шахт тсшки опасных «Южная», «Неж-данная» и зон пока недос- «Красина» в разрезе (составлена
М.П. Бондаревым и И.Н. Скоро-
таточно ясны. „
Т1 богатским по данным сеисмо-
Исследования
станции «Дон» АО «Ростов-напряженно- уголь» в 1995 г.): деформирован- 1 - угольные пласты; 2 - песчаники; 3 ной обстановки - очаги разрушения пород; 4 - про-у геологических явившийся на поверхности в точке А нарушений под толчок силой около 3 баллов
действием тектонических сил, проводимые В.А. Королевым, Ш.Д. Фатхуллаевым и М.П. Бондаревым показывают, что образование напряженных зон связано с направлением действия тектонических сил и характером распределения в горном массиве геологических плоскостей - контактов пород и разрывов. Однако для углубления познания процессов, происходящих в горном массиве, необходимо накопление большого объема количественной информации в естественных условиях. Наиболее подходящим инструментом для этого является сейсмическая станция, регистрирующая такие динамические явления - горные удары и выбросы, очаги которых можно изучать прямым обследованием в горных выработках.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
/ 7
Бондарев Михаил Павлович. - кандидат геолого-минералогических наук, ведущий специалист ТБ ОАО «Рос-товуголь».
Бондарев Павел Михайлович - аспирант РГГУ.
Батырев Иван Юрьевич - аспирант, Московский государственный горный университет.
