Сдвижение горных пород Таштагольского месторождения как отражение геодинамических процессов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Выводы. Приведены результаты математического моделирования напряженно-деформированного состояния горизонтально-слоистого массива горных пород. Для этого с применением разработанной методики была решена краевая задача. Выявлено, что закономерности распределения напряженно-деформированного состояния в неоднородном углепородном массиве при отсутствии в нем горных выработок качественно не противоречат зависимостям, полученным для однородного массива. Однако при существенном отклонении характеристик угля от соответствующих параметров горных пород происходят скачки напряжений и перемещений, зависящие от модуля упругости угля и породы. Проведенное исследование является первым этапом решения актуальной научно-практической задачи прогноза параметров напряженно-деформи-

рованного состояния при разработке паспортов

выемочных участков.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Д и н н и к А.Н. Статьи по горному делу. -М.: Углетехиздат, 1957. - 428 с.

2. Б о р и с о в А.А. Механика горных пород и массивов. - М.: Недра, 1980. - 360 с.

3. Р и х т м а й е р Р., М о р т о н К. Разностные методы решения краевых задач. - М.: Мир, 1972. - 414 с.

4. З е н к е в и ч О. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1975. - 271 с.

5. Ф а д е е в А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - М.: Недра, 1987. - 221 с.

© 2012 г. А.Б. Цветков, В.Н. Фрянов Поступила 25 апреля 2012 г.

УДК 622.831

2012 г. Т.В. Лобанова

Сибирский государственный индустриальный университет Научно-исследовательский центр «Геомеханика»

СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ТАШТАГОЛЬСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КАК ОТРАЖЕНИЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ*

Таштагольское железорудное месторождение отличается проявлением мощных горнотектонических ударов. Опасность проявления таких динамических событий, как правило, не обнаруживается, и в местах последующего разрушения выработок удароопасное их состояние не выявляется, поскольку очаг первичного разрушения, как правило, находится в глубине массива или формируется под воздействием массового взрыва и динамической при-грузки сдвигающихся боковых пород. Учитывая высокую энергию проявления горных ударов, накапливаемую при геодинамических процессах в блоках высокого ранга, проведены исследования поведения больших участков массива, охваченных наблюдениями на комплексных геодинамических полигонах на поверхности и в шахте.

Наблюдения за сдвижением земной поверхности и горных пород проводятся геоде-

*Работа выполнена по государственному заданию Минобрнауки РФ (регистрационный номер 548922011).

зическими и маркшейдерскими методами с использованием точных нивелиров с компенсаторами, жестких отвесов с уровнями, компа-рированных рулеток и нивелирных реек с уровнями, спутниковой геодезической системы Trimble 4600 LS (США). Замер смещений глубинных реперов осуществляется рулетками конструкции ВНИМИ.

На земной поверхности в 2005 - 2011 гг. в районах подвижных тектонических структур проведены исследования сдвижения горных пород с использованием методов спутниковой геодезии. Для этого разработана схема геоди-намического полигона на базе наблюдательной станции за сдвижением земной поверхности (рис. 1). Пункты наблюдений охватывали разломы в районе месторождения. Комплекс оборудования состоял из четырех одночастотных приемников Trimble 4600. За базовую точку, относительно которой выполнялись наблюдения, был взят пункт полигонометрии п.п. 1111, находящийся в Юго-Восточном геодинамиче-

разнонаправленные движения бортов разломов по высоте, чередование сжатий - растяжений и разнонаправленный сдвиг бортов разломов в горизонтальной плоскости. Ниже приведены результаты наблюдений короткопериодных смещений в районах текто-

^I

0 200 400 600 800

Рис. 1. Схема геодинамического полигона для наблюдения активности разломов в районе Таштагольского месторождения

с результатами ОР8-наблюдений 16.06.2006 г.:

1,2,3,4,5 - разломы, соответственно, «Холодный», «Кондомский», «Нагорный», «Шахтерский», «Диагональный»;

6 - субмеридиональное тектоническое нарушение (Пр. л. - профильная линия)

ском блоке вне зоны влияния горных разработок Восточного участка.

вР8-мониторинг смещений породного массива в районе тектонических разломов показал наличие короткопериодных деформаций крупных разломов [1]. Зафиксированы

нических разломов Таштагольского месторождения:

Максимальные абсолютные смеще-

Разлом

Холодный

Нагорный

Кондом-

ский

Шахтёр-

ский

ния, мм

(н й й (н й (н й

0 0 2 \о 0 0 2 г- 0 0 2 8 0 0 2 о\ 0 0 2 0 01 2 01 2

22 34 33 32 12 28 42

30 39 75 48 26 122 47

18 37 78 46 15 - 25

20 108 146 97 57 - 82

35 50 56 21 19 23 56

28 36 51 35 59 56 82

17 34 27 9 27 48 94

22 74 44 23 64 125 76

П р и м е ч а н и е. В числителе - горизонтальные смещения, в знаменателе - вертикальные.

Максимальные абсолютные величины короткопериодных смещений на разломах достигали 50 - 150 мм, увеличение которых в 2 - 5 раз по сравнению с предыдущими периодами наблюдений происходит при проявлении сейсмических событий в шахтном поле с энергией от 102 до 108 Дж. Полученные параметры, по нашему мнению, отражают геодинамиче-ское взаимодействие блоков и процессы перераспределения напряжений в районе месторождения.

Максимальные значения горизонтальных и вертикальных смещений на разломах были зафиксированы в 2006, 2007, 2010 гг. Это соответствовало проявлению серии микроударов в 2006 г., крупных толчков (класс 6.2 - 6.9) и микроудара в 2007 г. Выделяются смещения на разломе «Нагорный» в 2006, 2007 гг., которые в период увеличения интенсивности сейсмических событий на месторождении достигали 100 - 150 мм. Характерно, что крупные толчки и микроудары, произошедшие в шахте Ташта-гольского филиала в этот период, зарегистрированы в висячем боку рудной зоны в зоне влияния Нагорного разлома.

Установленный в 2010 г. уровень вертикальных сдвижений в районе разлома «Холодный» является максимальным за весь период вР8-наблюдений на данной тектонической структуре и отражает повышение геодинами-ческой активности на этом участке боковых пород месторождения, что подтверждается и проявлением сейсмических событий в шахтном поле месторождения по наблюдаемому профилю в сечении вкрест простирания месторождения в этот период.

В 2006 г. высокий уровень короткопериодных смещений зафиксирован также на разломе «Шахтерский», где наиболее рельефно выразился скачкообразный характер изменения амплитуды смещений (рис. 2). Сопоставление скачкообразных смещений (векторы сдвижения на рис. 1) с проявлением толчков в шахтном поле показывает, что имеется некоторая взаимосвязь этих явлений.

Рис. 2. Изменение во времени смещений в районе разлома «Шахтерский» по результатам ОР8-съемки 16.06.2006 г.:

♦ - Репер 5 ЮВ; ■ - Репер 1 Юж. по простиранию

Векторы сдвижения реперов базовой линии через разлом «Шахтерский» в 12:00, когда было зафиксировано скачкообразное изменение смещений, особенно репера 1, показывают, что произошло кратковременное сжатие разлома «Шахтерский» и поднятие Восточного блока относительно Юго-Восточного в результате сдвига его по плоскости разлома в направлении с востока на запад. Это подтверждает ре-

зультирующий вектор горизонтальных сдвижений Цу, направленный параллельно разлому в район толчка класса 2.1, произошедшего накануне в 0:59:54 на отметке -549 м. В 12:20 массив в районе репера 1 практически вернулся в положение на момент 12:00, что отражает процесс упругого восстановления массива. Возможно, что это короткопериодное скачкообразное сдвижение земной поверхности в районе тектонических разломов неслучайно, так как в последующем 17.06.2006 г. в зоне влияния разлома «Нагорный», а 18.06.2006 г. в районе разлома «Холодный» в южном торце Восточного участка произошло еще два толчка.

Аналогичные скачкообразные короткопериодные смещения отмечены и на других разломах в соответствующие периоды проявления толчков, при которых скорости деформирования земной поверхности возрастали в 2 раза и более.

Высокий уровень короткопериодных смещений, особенно вертикальных, зафиксирован 30.08.2010 г. и на разломе «Шахтерский», что отражает процессы перераспределения напряжений после массового взрыва 29.08.2010 г., произведенного в северном торце Восточного участка, на больших площадях в районе месторождения.

Отмеченный в 2010 г. высокий уровень вертикальных смещений на разломах «Холодный» и «Шахтерский» в 2011 г. несколько снизился, однако остается на уровне среднего или выше среднего за весь период наблюдений 2005 -2011 гг. В то же время существенно возросли горизонтальные смещения на этих разломах. Вновь наблюдается увеличение смещений на разломах «Нагорный» и «Кондомский».

Наличие короткопериодных смещений горного массива и некоторая их взаимосвязь с сейсмической активностью месторождения установлены в горных выработках Таштаголь-ского месторождения в результате непрерывных мониторинговых наблюдений с использованием лазерного дальномера [2], а также в районах тектонических нарушений на земной поверхности Шерегешевского месторождения [3].

Роль геодинамических процессов в формировании удароопасной ситуации зафиксирована инструментально в сдвижении и деформировании массива Таштагольского месторождения в периоды подготовки и проявления горно-тектонических ударов 1998, 1999 гг. По показаниям станций глубинных реперов в районе очистных работ в центральной части отрабатываемого участка с 1992 г. существенных изменений процессов сдвижения и деформирования не наблюдалось. В то же время в поро-

дах лежачего бока по наблюдениям в квершлагах горизонтов -140 и -280 м на участках протяженностью 400 - 600 м с 1994 г. отмечалась пригрузка боковых пород (рис. 3). К началу 1998 г. общая величина сжатия наблюдаемого участка от района стволов до полевых штреков составила более 100 мм. Горно-тектонический удар, произошедший в марте этого года, инициированный массовым взрывом, вызвал лишь частичную разгрузку породного массива со скачкообразным смещением его в сторону горных работ на величину более 40 мм. Оставшаяся часть накопленной энергии реализовалась при следующем горно-тектоническом ударе (24.10.1999 г.).

Для оценки геодинамических процессов в высоконапряжённых горных массивах рекомендовано строить паспорт напряженно-деформированного состояния массива (рис. 3), представленный графиками изменения во времени горизонтальных и вертикальных сдвижений контурных реперов по наблюдаемым выработкам, дополненными периодами проведения массовых и технологических взрывов, проявления горных ударов и толчков, графиком выделения в различные периоды сейсмической энергии при динамических проявлениях.

Поднятия являются признаком возрастания в боковых породах напряжений сжатия, действующих по простиранию, при этом положение максимума поднятий, как правило, совпадает с положением максимума существующей или формирующейся зоны опорного давления. Появление поднятий реперов величиной 15 -50 мм и более на участках боковых пород и в днище отрабатываемых блоков протяженностью 100 м и более свидетельствует о возможности динамических проявлений горного давления. При формировании очагов толчков в глубине массива эпицентры их проявления, как правило, совпадают с положением крупных структурных элементов (разломов, тектонических нарушений, даек, контактов разномодульных пород), расположенных вблизи максимума поднятий.

Пилообразный характер кривых горизонтальных сдвижений показывает, что в определенные периоды прямые горизонтальные сдвижения в сторону выработанного пространства сменяются обратными. Как правило, обратные сдвижения до 50 - 100 мм, свидетельствующие о переходе от растяжения к сжатию массива, наблюдаются в периоды проявления горных ударов. Характерны длительные периоды (от 1 года до 5 лет) накопления обратных сдвижений на фоне снижения дина-

Рис. 3. Паспорт напряженно-деформированного состояния массива Таштагольского месторождения по измерению

горизонтальных сдвижений в квершлагах шахты:

- горизонт -140 м; - горизонт -280 м; - горизонт -350 м;

___- энергия; ж - разрезка этажа; + - массовый взрыв; ♦ - горный удар; • - толчки 8 - 9 класса; • - 7 класса; • - 6 класса

мической активности в шахтном поле.

Характерно, что самый длительный период (2004 - 2009 гг.) накопления сжатия в боковых породах по наблюдениям на горизонте -280 м соответствует и сжатию горных пород, зафиксированных спутниковыми наблюдениями в 2005 г. Так, в период очистной добычи с 28.06. по 25.09.2005 г. после массового взрыва слоя II блока № 17 установлено, что после разрезки этажа происходит существенное перераспределение напряжений на больших площадях, отражающееся в появлении на поверхности лежачего бока и северного фланга Восточного участка обратных сдвижений до 100 мм и более, которые до сих пор сохраняются на северном фланге. При разрезке этажей (-280) -(-210) м в 1990 г. и (-350) - (-280) м в 2004 г. сдвижения такого же порядка зафиксированы по профильным линиям на земной поверхности традиционными методами наблюдений.

По предварительным данным такие сдвижения происходят по пологим тектоническим нарушениям (средний азимут сдвижений весьма близок к азимуту падения нарушений), вызывая сжатие горных пород лежачего бока, и служат, в конечном итоге, причиной динамических проявлений горного давления при дальнейшей отработке блоков.

В условиях блочного строения месторождений удароопасность породного массива предопределяется характером взаимодействия

блоков по границам раздела, который четко фиксируется по станциям глубинных реперов, заложенных в массиве горных пород. Крупные структурные ослабления массива (разломы, тектонические нарушения, дайки, протяженные контакты пород), расположенные в зонах смятия пород, активно реагируют на общее нагружение массива при развитии геодинами-ческих процессов. Удароопасность массива повышается в период зажима разломов, что обнаруживается в появлении обратных сдвижений реперов и сжатии бортов разломов, при этом скорость зажима разломов определяет степень удароопасности массива.

Накопление сжатий на разломах начинается за 2 - 3 месяца до проявления горного удара. Деформации сжатия бортов разломов составляют 0,3 - 0,9 мм/м, а в отдельных случаях 1,4

- 2,1 мм/м. При этом скорости сближения границ структурных ослаблений изменяются в пределах 7 - 36 мм/месяц, достигая по отдельным станциям 280 мм/месяц.

Формируются зоны сжатия, которые являются устойчивыми во времени и потенциально опасными по проявлению сейсмических событий. По результатам картирования процессов деформирования по станциям глубинных реперов на горизоонтах -280 и -350 м Ташта-гольского месторождения установлено, что наблюдается чередование зон сжатия и растяжения в направлении вкрест простирания руд-

ного тела, однако следует отметить преимущественное сжатие массива.

Распределение сейсмических событий в шахтном поле Таштагольского месторождения во времени и по глубине отражает изменение положения очистного пространства и увеличение интенсивности работ на нижних горизонтах. Несмотря на постоянное расширение фронта очистных работ размеры зоны проявления событий во времени увеличиваются или уменьшаются. Это обусловлено изменением региональной напряженности массива в районе месторождения, что периодически фиксируется по наблюдениям процессов сдвижения на границах геодинамических блоков.

В основном все исследования по оценке НДС массива на Таштагольском месторождении проводятся в горных выработках и на земной поверхности в зоне влияния горных разработок или вблизи этой зоны. Использование методов космической геодезии позволяет проводить исследование процессов сдвижения земной поверхности на удалении от района отработки месторождения вне прямой видимости между наблюдаемыми пунктами. Для определения величин смещений природного массива в районе города Таштагола в 2007 г. в период прекращения очистных работ на руднике организованы вР8-наблюдения на полигоне «Склад ВМ - Очистные - Кондома - Каме-нушка - Склад ВМ» [5], пункты которого располагались за зоной влияния горных разработок Восточного участка месторождения. Максимальная длина базисной линии этого полигона превысила 4250 м, а максимальное превышение достигало 170 м. При этом максимальные размеры зоны влияния горных разработок составляли: по простиранию месторождения (в направлении ЮЮВ - ССЗ) - 1540 м, вкрест простирания - 1595 м.

Для оценки уровня и характера зафиксированных смещений вне зоны влияния горных разработок Таштагольского месторождения

24.06.2007 г. проведены вР8-наблюдения на участках разломов «Холодный» и «Нагорный» в полигоне «п.п. 1111 - репер +20 - репер +13

- репер +4 - п.п. 1111» (рис. 1). Измеряемые базовые линии составляли от 150 до 1690 м, а измеряемые превышения - от 35 до 122 м.

Смещения земной поверхности, полученные в период прекращения очистных и взрывных работ на руднике на пунктах наблюдений вне зоны влияния и в зоне влияния горных разработок, отражают их уровень и амплитуду, а также периодичность изменения характера смещений как в горизонтальной (по X, У), так и в вертикальной (по 7) плоскостях. Изменение смещений в 20-мин интервалы при многочасовых наблюдениях отчетливо показывает некоторые особенности зафиксированных величин и периодичности изменения направления сдвижений горного массива (см. таблицу).

Полученные результаты наблюдений и их анализ показывают, что район Таштагольского месторождения характеризуется высокими короткопериодными природными смещениями горного массива, превышающими смещения в зоне влияния горных разработок. Колебательные движения природного массива отличаются более длительными периодами изменения направления сдвижений, достигающими 2 ч 40 мин. В зоне влияния горных разработок преобладает частота колебаний 20 - 40 мин, в отдельных случаях достигающая 1 ч - 1 ч 40 мин.

Разнопериодность изменчивости природных смещений и смещений, вызванных разработкой Таштагольского месторождения, позволяет предположить, что причиной скачкообразных сдвижений массива, в 2 - 5 раз и более превышающих средний уровень, может служить наложение смещений, вызванных при родными и техногенными процессами при совпадении частоты колебаний горного массива.

Выводы. Отработка Таштагольского месторождения осуществляется в условиях высоких деформаций сжатия массива горных пород,

Результаты СР8-наблюдений в период прекращения очистных работ

Вне зоны влияния горных разработок в период 19 - 20.06.2007 г.

Максимальные Максимальные

Пункт наблюдения смещения, мм, по Пункт наблюдения смещения, мм, по

У X У X

В зоне влияния горных разработок 24.06.2007 г.

Кондома 23 10 43

Очистные 31 16 56

Каменушка 98 146 175

Период изменения характера смещений от 20 мин до 2 ч 40 мин

Репер +20 28 16 41

Репер +13 30 16 41

Репер +4 35 28 48

Период изменения характера смещений от 20 мин до 1 ч 40 мин

обусловленных как природными явлениями, так и техногенной деятельностью по разработке рудных запасов. При выемке запасов Таш-тагольского месторождения на границах тектонических разломов возникают короткопериодные смещения горных пород до 50 - 150 мм, приводящие к увеличению скоростей деформирования земной поверхности, в 2 раза и более превышающих обычный уровень, и геоди-намическим явлениям в шахте с сейсмической энергией до 108 Дж. Увеличение максимальных смещений в 5 раз на земной поверхности приводит к проявлению микроударов в зонах влияния тектонических разломов в глубине массива горных пород. Прогностическим признаком формирования очагов горных ударов являются аномальные сдвижения реперов (поднятия и обратные сдвижения), выявляемые в результате мониторинга процессов сдвижения массива горных пород в основных выработках шахты на эксплуатируемых горизонтах и отражающие перераспределение тектонических напряжений, происходящее при взаимодействии блоков в процессе передачи упругой энергии в район горных работ: поднятия контурных реперов величиной 15 - 50 мм и более на участках боковых пород и в днище отрабатываемых блоков протяженностью 100 м и более; обратные сдвижения контурных реперов до 50 - 100 мм, свидетельствующие о переходе от растяжения к сжатию массива, накопление которых происходит длительные периоды (от 1 года до 5 лет) на фоне снижения динамической активности в шахтном поле. Разнонаправленные движения бортов глубинных разломов по высоте и чередование сжатий и растяжений на их отдельных участках являются признаками формирования условий для проявления горных ударов. По данным спутниковых наблюдений эти геодинамические движения являются короткопериодными, а периоды появления сжатий и поднятий массива совпадают с периодами динамической активности месторождения. Особенности формирования и проявления горных ударов на Ташта-гольском руднике, заключающиеся в зарождении очагов концентрации напряжений на удалении от отрабатываемых блоков и передаче упругой энергии при региональных проявлениях в виде динамической пригрузки района отработки, обусловливают и соответствующие

требования к методам прогноза горных ударов. Эти методы должны обеспечивать контроль не только за состоянием рудного массива в местах проходки горных выработок и отработки запасов, но и контролировать значительные по протяженности участки массива боковых пород и находящиеся в них действующие выработки, включая зону смятия и область поднятия массива, как места повышенной динамической активности. Горный массив в пределах шахтного поля контролируется региональными методами, а зоны смятия и области поднятия - локальными методами.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Л о б а н о в а Т.В. Исследование геомеха-нического состояния породного массива при формировании и проявлении горных ударов на Таштагольском руднике // ФТПРПИ. 2008. № 2. С. 38 - 46.

2. Л о б а н о в а Т.В., М о и с е е в С.В. Результаты комплексной оценки напряженно-деформированного состояния горного массива Таштагольского месторождения геофизическими и геодезическими методами // ФТПРПИ. 2009. № 3. С. 31 - 39.

3. Л о б а н о в а Т.В., Н о в и к о в а Е.В.

Влияние массовых взрывов на деформирование горных пород Шерегешевского железорудного месторождения // ГЕО-Сибирь-2009. Т. 2. Недропользование. Горное дело. Новые направления и технология поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. - Новосибирск: СГГА, 2009. С. 205 - 209.

4. К в о ч и н В.А., Б и л и б и н В.В., В а -с и л ь ч е н к о в Т.П. и др. Геодинамиче-ская безопасность разработки железорудных месторождений Сибири // Горный журнал. 2005. № 11. С. 44 - 53.

5. Л о б а н о в а Т.В., В а с и л ь е в а Е.В.

Оценка природного и техногенного воздействия на сдвижение блочного массива Таш-тагольского месторождения // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Тр. Всероссийской конф. с участием иностранных ученых. - Новосибирск: Изд. ИГД СО РАН, 2010. С. 234 - 239.

© 2012 г. Т.В. Лобанова Поступила 3 апреля 2012 г.