CC BY
56
© В.В. Демьянов, С.М. Простое,
О.В. Демьянова, 2005
УДК
В.В. Демьянов, С.М. Простое, О.В. Демьянова
Электролюминесцентные устройства В СИСТЕМАХ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О СОСТОЯНИИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
Семинар №2
© А.А. Панжин, 2005
УДК 622.83:551.242
А.А. Панжин
РОЛЬ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ СДВИЖЕНИЯ НА РУДНИКАХ ВЫСОКОГОРСКОГО ГОКА
Семинар №1
(Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента РФ)
Развитие процесса сдвижения, вызванного влиянием подземных горных разработок, на каждом месторождении полезных ископаемых имеет свои особенности, обусловленные конкретными горно-геологическими условиями. На месторождениях Высокогорского ГОКа четко прослеживается дискретный характер
деформирования подработанного породного массива, который обусловлен его иерархически блочным строением. Реальный блочный массив скальных пород деформируется весьма неравномерно, при этом значительная часть деформаций реализуется на границах структурных блоков, образуемых трещиноватостью различных уровней. Величины деформаций на участках их расположения в несколько раз превосходят уровень деформаций в самих структурных блоках. Также существенную роль на развитие процесса сдвижения оказывает геодина-мическая активность многочисленных дизъюнктивных тектонических нарушений различных рангов, обуславливающих структуру месторождений Высокогорского ГОКа и создающих в массиве поверхности ослабления, по которым реализуются деформации как естественной, так и техногенной природы.
В Тагильском железорудном районе горные работы ведутся Высокогорским ГОКом уже более 270 лет на Высокогорском, Естюнинском и Лебяжинском месторождениях. За этот пери-
од времени горные работы достигли глубины 750 метров и ведутся в черте города Нижний Тагил. За это время карьерами и шахтами на западной окраине города уже вынуто карьерами и шахтами более 250 млн.м3 горной массы, и предстоит вынуть более 200 млн.м3 горной массы. На всех указанных месторождениях выемка рудных тел сопровождается активизацией геодинамических событий, которая накладывается на естественную активность тектонических нарушений.
В строении месторождений Высокогорского ГОКа большая роль принадлежит тектоническим разрывным нарушениям. Все крупные разломы месторождения долгоживущие, глубокого заложения (рис 1). Основными из нарушений являются региональный Туринский разлом субвертикального падения мощностью от 5 до 200 м, который подсекает восточный фланг Лебяжинского месторождения и Тима-но-Кокчетавская тектоническая зона с оперяющими ее мощными дизъюнктивными нарушениями, вскрывающая северо-восточный фланг Естюнинского месторождения. Также крупным и хорошо изученным является разлом Главный, имеющий северо-восточное простирание и прослеживающийся через Высокогорское и Лебяжинское месторождения. Разлом Главный оперен тектоническими дизъюнктивными нарушениями более низкого ранга «Средний» и «Диагональный», также широко проявляются пострудные нарушения более низких порядков, которые создают мелкоблоковую структуру рудных участков месторождений.
Достаточно интересными являются и усредненные геомеханические характеристики массива горных пород, так предел прочности пород на сжатие составляет от 250 до 400 МПа, а величины первоначальных напряжений на глубинах около 400 метров достигают 80-140 МПа. Наибольшие тектонические напряжения действуют по азимуту 120-155°, а простирание Тимано-Кокчетавской разломной зоны имеет азимут простирания 145°, что создает благоприятные условия для образования скола по этой зоне. При смещении горных пород на выработанное пространство, обусловленного выемкой полезного ископаемого, происходит разгрузка статических напряжений в направлении плоскости Тимано-Кокчетавской тектонической зоны. Это сопровождается геомеханиче-скими и геодинамическими явлениями,
имеющими место на месторождениях Высокогорского ГОКа [1].
Рис. 1. План техногенных объектов и тектонических нарушений г.Нижний Тагил:
1 - Высокогорское месторождение: 2 - Ле-бяжинский рудник; 3 - Естюнинская шахта; 4 - Гальяновский карьер; 5 - шлаковые отвалы; 6 - Тимано-Кокчетавская тектоническая зона; 7 - Турьинский разлом; 8 - Главный разлом
Таким образом, исходя из структурногеологического строения Тагильского района и геомеханических характеристик массива горных пород, можно предположить, что основная роль в формировании вторичного напряженно-деформированного состояния принадлежит техногенным процессам - выемке полезных ископаемых из недр, накладывающейся на естественную геодинамическую активность крупных тектонических нарушений. Однако инструментальные маркшейдерские данные о развитии процесса сдвижения на рудниках Высокогорского ГОКа свидетельствуют о том, что в реальности деформационные процессы протекают по другому сценарию. Основой для подобных выводов послужили результаты многолетних наблюдений за развитием процесса сдвижения, проводимых Институтом Горного дела УрО РАН на основных месторождениях Высокогорского ГОКа.
Инструментальными наблюдениями, как традиционными в соответствии с требованиями [2], так и пионерных с использованием комплексов спутниковой геодезии GPS [3], был охвачен породный массив на двух масштабных уровнях. На Высокогорском, Естюнинском и Лебяжинском месторождениях для наблюдений за развитием процесса сдвижения, в пределах предполагаемой мульды, заложены наблюдательные станции [2], по которым ежегодно проводятся инструментальные наблюдения с применением традиционной методики, а также определяются полные пространственные вектора смещений реперов методами спутниковой геодезии GPS. Кроме того, в западной части г. Нижний Тагил оборудована специальная наблюдательная станция, которая охватывает ежеквартальными GPS измерениями все крупные тектонические нарушения указанного района (см. рис. 1).
Результаты традиционных маркшейдерских наблюдений по профильным линиям наблюдательных станций свидетельствуют, что развитие процесса сдвижения на всех месторождениях Высокогорского ГОКа происходит по похожему сценарию и без формирования ярко выраженной мульды сдвижения в ее классическом виде. При этом четко прослеживается дискретный характер деформирования массива, проявляющийся в том, что породные блоки, линейные размеры которых составляют от нескольких десятков метров, при подработке деформируются достаточно слабо (суммарные деформации 0.1 - 0.5-10"3), а основные деформации (1 - 5-10"3), приходятся на межблоковые границы, которые представляют собой дизъюнктивные нарушения - сместители невысокого порядка. Таким образом, при подработке породного массива, имеющего иерархически-блочное строение, происходит его переупаковка по поверхностям ослаблений. Ярким примером такого характера деформирования служит массив, слагающий висячий бок Высокогорского месторождения. Породный массив разбит дизъюнктивными нарушениями (сбро-со-сдвигами) «Средний» и Диагональный» на три блока - северный, центральный и южный (рис. 2). Выходы нарушений на поверхность были уточнены геофизическими методами -электроразведкой и спектральной сейсморазведкой [4] и проконтролированы визуально, с западного борта зоны обрушения.
Рис. 2. Уточненные по результатам геофизической съемки дизъюнктивные нарушения в висячем боку Высокогорского месторождения
Инструментальные маркшейдерские наблюдения проводились по профильной линии, пересекающей указанные тектонические нарушения. Была проведена статистическая обработка данных о величинах горизонтальных и вертикальных деформаций интервалов за период 1993-2004 г.г. и построены графики распределения их суммарных величин по профильной линии (рис. 3). Обращает на себя внимание то факт, что значительные по величине деформации, как горизонтальные, так и вертикальные, из года в год концентрируются на одних и тех же интервалах профильной линии, соответствующих выходам тектонических нарушений
«Средний» и «Диагональный» на земную поверхность. Во внутриблоковых же частях массива величины суммарных деформаций незначительные, что подтверждает тезис о дискретном характере деформирования. При анализе величин полных векторов сдвижения, измеренных с применением комплексов спутниковой геодезии GPS, было установлено, что каждому породному блоку, слагающему исследуемый массив, присущ собственный характер трендовых движений. Таким образом, хотя направленность движения всех трех блоков достаточно близка, и они достаточно согласованно перемещаются в юго-западном направлении, но у южного блока проявляется большая тенденция отклонения к югу, обуславливающая его отход от северного и центрального блоков. Также имеются существенные различия в скоростях движения породных блоков. Если северный блок движется в сторону зоны обрушения со скоростью около 100-140 мм/год, то центральный геоблок движется со скоростью 200-350 мм/год. В результате этого отклонения на контакте блоков по нарушению «Средний» происходит снижение нормальных напряжений и раскрытие тектонического нарушения «Средний», фиксируемое даже визуально, особенно в подземных условиях. Как следствие, снижается устойчивость на контакте, что проявляется в распределении величин суммарных деформаций (рис. 3).
Рис. 3. Суммарные деформации по профильной линии, пересекающей
дизъюнктивные нарушения «Средний» и «Диагональный»
Рассмотренный случай дискретного деформирования породного массива по поверхностям ослабления, представленным локальными дизъюнктивными нарушениями, залегающими вкрест простирания рудных тел не представляет достаточно серьезной опасности для сохранности объектов, расположенных на земной поверхности, и ведения горных работ. Как показывает практика, достаточно серьезные последствия имеют случаи, когда происходит соскальзывание породного блока по дизъюнктивному нарушению, залегающему по простиранию рудного тела с падением в сторону выработанного пространства. В этом случае, потерявший устойчивость подработанный струк-
турный блок, по поверхности ослабления смещается в сторону зоны обрушения. В случае, если угол падения дизъюнктивного нарушения меньше граничных углов сдвижения, зона концентрации критических деформаций может не совпасть с расчетными границами целика на земной поверхности, и как следствие, произойти разрушение охраняемого объекта. Примером подобной ситуации может служить деформирование породного массива на промп-лощадке шахты «Эксплуатационная» Лебя-жинского месторождения (рис. 4). В данном случае слабый учет роли тектонического нарушения, проходящего по территории промп-лощадки шахты, привел к тому, что произошло соскальзывание подработанного породного блока по поверхности структурного ослабления. Фактическая зона критических деформаций для объектов II категории охраны в данном случае не совпала с расчетной и произошло частичное разрушения здания быткомбината и механической мастерской. Проведенные на участке изыскания геофизическими методами подтвердили наличие дизъюнктивного нарушения с падением в сторону выработанного пространства под углом, значительно меньшим граничного угла сдвижения, по которому были отстроены границы целика для охраны объектов промплощадки от влияния подземных разработок. По результатам инструментальных маркшейдерских наблюдений было установлено, что аномальная зона критических деформаций является именно результатом отрыва и скольжения подработанного породного блока относительно массива, слагающего территорию промплощадки шахты, а не просчетами в определении граничного угла сдвижения и построении целика под охраняемыми объектами.
Рис. 4. Соскальзывание породного блока по дизъюнктивному нарушению,
залегающему по простиранию рудного тела
В связи с эти следует отметить, что роль тектонических нарушений в процессе сдвижения на рудниках Высокогорского ГОКа не ограничивается только негативным влиянием. В ряде случаев подвижки, происходящие по поверхностям ослабления, наоборот, разряжают негативную геомеханическую обстановку на месторождении, что имело место на Естюнин-ском месторождении. Основной особенностью
данного месторождения является наличие в висячем боку крепких вмещающих пород, предел прочности которых на сжатие достигает до 400 МПа, что привело в результате разработки месторождения к образованию породной консоли длиной 400-650 м, нависающей над практически незаполненным обрушенными породами выработанным пространством [5]. Внезапный пролом консоли в результате ее дальнейшей подрезки мог привести к горнотектоническому удару с энергией до 1012 Дж и последующему за ним мощному воздушному удару. Однако вследствие того, что в период 2001-2004 гг. активизировались трендовые подвижки по дизъюнктивным тектоническим нарушениям, оперяющим Тимано-
Кокчетавскую разломную зону, началось постепенное разрушение породной консоли (рис. 5). Данные подвижки фиксировались инструментальными маркшейдерскими наблюдениями по профильным линиям, заложенным в пределах геологических разрезов 10-12. Ежегодные наблюдения проводились с применением традиционной методики, также определялись полные пространственные вектора смещений реперов методами спутниковой геодезии GPS. В результате было установлено, что начиная с 2001 г., началось разрушение зависшей породной консоли по серии дизъюнктивных нарушений, оперяющих Тимано-
Кокчетавскую разломную зону. В данном случае тектоническое нарушение, разрезающее породную консоль, сложенную крепкими породами, сыграло роль поверхности ослабления, по которой произошла активация деформационных процессов, разряжающих сложную гео-динамическую обстановку на Естюнинском месторождении. В настоящее время на данном участке процесс сдвижения развивается в виде «языка», вытянутого в субмеридиональном направлении вдоль дизъюнктивного нарушения, который создает своеобразную отрезную щель, на которую происходит сдвижение массива, слагающего фланги породных блоков. Благодаря этим процессам в южной части исследуемого участка уже начала формироваться мульда сдвижения в ее классическом виде с выраженной зоной трещин и зоной плавных деформаций, и заполнение породой выработанного подземного пространства.
Рис. 5. Развитие процесса разрушения зависшей породной консоли
по дизъюнктивным нарушениям
Также важным вопросом является вопрос о роли геодинамической активности дизъюнктивных тектонических нарушений различных рангов, обуславливающих структуру основных месторождений Высокогорского ГОКа, на развитие деформационных процессов, сопровождающих их отработку. И если механизм влияния дизъюнктивных нарушений невысокого ранга на развитие процесса сдвижения уже в достаточной степени изучен, то степень геодинамической активности крупных тектонических структур Тагильского района и их роль в формировании вторичного напряженно-
деформированного состояния породного массива до недавнего времени серьезно не исследовались. Для восполнения данного пробела в 2003 г. в западной части г. Нижний Тагил была оборудована специальная наблюдательная станция, которая охватывает измерениями две крупные тектонические структуры района -Тимано-Кокчетавскую разломную зону и разлом Главный. Измерения на реперах данной наблюдательной станции в 2003-2004 г.г. производились ежеквартально с применением технологий спутниковой геодезии GPS. Полученные величины смещений на базах измерений 1800-6000 м, характеризующие геодинамиче-скую активность крупных тектонических нарушений, сравнивались с величинами смещений, измеренных на локальных дизъюнктивных нарушениях. В результате сопоставления величин смещений и деформаций было установлено, что основная роль в формировании кратковременной геодинамической обстановки принадлежит локальным дизъюнктивным нарушениям, величины смещений и деформаций по которым как минимум на порядок превосходят аналогичные величины, измеренные на крупных тектонических нарушениях. Так, если в районах локальных тектонических нарушений величины смещений в горизонтальной плоскости достигают 200-350 мм/год, то анало-
гичные смещения по крупным тектоническим нарушениям за тот же период не превышают 30 мм/год. С другой стороны, крупные тектонические нарушения района могут играть роль своеобразных коллекторов, накапливающих энергетику как естественной тектонической, так и техногенной природы. Как уже отмечалось выше, при смещении породного массива на выработанное пространство происходит разгрузка статических напряжений на плоскости крупных тектонических нарушений, что может сопровождаться мощными геодинамическими явлениями. Поскольку процесс накопления энергии в крупных тектонических нарушениях долговременный, а механизм ее реализации еще до конца не раскрыт, вопрос о роли крупных тектонических нарушений в формировании геодинамической обстановки Тагильского района остается открытым.
Таким образом, для условиях месторождений Высокогорского ГОКа существенная роль в развитии процесса сдвижения принадлежит геодинамической активности локальных тектонических нарушений, что определяется геоме-ханическими характеристиками массива горных пород. Крепкие вмещающие породы, высокие величины тектонических нарушений и мелкоблоковая структура рудных участков и вмещающих пород месторождений приводят к дискретному характеру деформирования подработанного массива с реализацией деформаций по поверхностям структурных ослаблений, роль которых выполняют тектонические нарушения невысокого ранга, широко проявляющиеся на всех основных месторождениях. В месте с тем, нельзя утверждать, что роль тектонических нарушений в процессе сдвижения на рудниках Высокогорского ГОКа раскрыта полностью и уточнение характера взаимодействия тектонических нарушений различного ранга с породным массивом будет производится по мере накопления фактического материала о деформационных процессах как естественной, так и техногенной природы, проистекающих в исследуемом районе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зубков А.В., Сашурин А.Д. Опасное развитие геодинамической обстановки в г. Нижний Тагил, причины, последствия и возможные мероприятия по ее смягчению // Материалы международной конференции "Горное дело - 2000". Промышленная безопасность и эффективность новых технологий в горном деле. - М.: МГГУ, 2001.
2. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений: Утв. Госгортехнадзором СССР 03.07.86. -М: Недра. -1988.
3. Панжин А.А. Организация мониторинга геодинамической обстановки в г. Нижний Тагил методами спутниковой геодезии //Геодинамика и геологические изменения в окружающей среде северных регионов: Материалы конференции с международным участием: T. II. Архангельск: Институт экологических проблем севера УрО РАН, 2004.
4. Гликман А.Г. Физика и практика спектральной сейсморазведки. Электронная книга. http://newgeophys.spb.ru/ru/book/
5. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология. -Екатеринбург: УрО РАН, 2001.
Об авторе: Панжин Андрей Алексеевич - старший научный сотрудник
Институт горного дела (ИГД) УрО РАН, Екатеринбург
e-mail: panzhin@igd.uran.ru web: http://geomech.da.ru
— Коротко об авторак ----------------------------------------------------------------------------
Дем- прь лицея.
© В.В. Демьянов, С.М. Простое, О.В. Демьянова, 2005
