CC BY
58
ГЕОДЕЗИЯ И МАРКШЕЙДЕРИЯ
УДК 528.2/3
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗУЧЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ВО ВРЕМЕНИ ДЕФОРМАЦИЙ БЛОКОВ ЗЕМНОЙ КОРЫ ПРИ ОСВОЕНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУЗБАССА
Александр Петрович Карпик
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, ректор, тел. (383)343-39-37, e-mail: rektorat@ssga.ru
Анатолий Иванович Каленицкий
^бирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры астрономии и гравиметрии, тел. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru
Александр Николаевич Соловицкий
Кузбасский государственный технический университет, 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28, соискатель, кандидат технических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела, кадастра и геодезии, тел. (384)239-63-85, e-mail: san.mdig@mail.ru
Показано, что переход к новым безопасным и экологически чистым технологиям освоения угольных месторождений Кузбасса невозможен без изучения изменений во времени деформаций блоков земной коры. Предложены новые технологические решения для реализации указанного изучения, включающие совершенствование как геодезических построений геодинамических полигонов, так и регистрации кинематики блоков земной коры и ее интерпретации.
Ключевые слова: блок земной коры, ранг, геодинамическое явление, кинематика, геодинамический полигон, деформация.
TECHNOLOGY FOR INVESTIGATING TIME CHANGES OF EARTH BLOCKS DEFORMATION IN KUZBASS COAL DEPOSITS DEVELOPMENT
Alexander P. Karpik
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D, Prof., rector, tel. (383)343-39-37, e-mail: rektorat@ssga.ru
Anatoly I. Kalenitsky
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, Ph. D., Prof., Department of Astronomy and Gravimetry, tel. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru
3
Геодезия и маркшейдерия
Alexander N. Solovitsky
Kuzbass State Technical University, 650000, Russia, Kemerovo, 28 Vesennyaya St., Ph. D., Assist. Prof., Department of Mine Survey, Cadastre and Geodesy, tel. (384)239-63-85, e-mail: san.mdig@mail.ru
The transition to the new environmentally friendly safe technologies for Kuzbass coal deposits development is shown to be impractical without investigation of time changes in the Earth blocks deformations. New technological solutions are offered to be used for this investigation. They comprise improvement of both geodetic networks for geodynamic testing areas and crust blocks kinematics registration and interpretation.
Key words: Earth crust block, grade, geodynamic phenomenon, kinematics, geodynamic testing area, deformation.
В настоящее время освоение угольных месторождений в Кузбассе характеризуется не только увеличением объема добычи (более 200 миллионов тонн в год), но и переходом к новым безопасным и экологически чистым технологиям. Реализация таких технологий не может быть осуществлена без изучения геодинамических и техногенных процессов при освоении недр, так как полученная о них информация является важнейшей в аспекте обеспечения безопасности и прогноза катастрофических геодинамических явлений (ГДЯ): горных ударов, внезапных выбросов, землетрясений. Следовательно, изучение изменений во времени деформаций блоков земной коры в районах освоения месторождений не только актуально, но и имеет научный и практический интерес в рамках получения информации об указанных процессах [1, 2, 3].
Обеспечить изучение изменений во времени деформаций блоков земной коры в районах освоения месторождений традиционными методами классической геодезии невозможно. Поэтому предложены новые технологические решения, включающие совершенствование как геодезических построений геодинамических полигонов (ГДП), так и регистрации кинематики блоков земной коры и ее интерпретации. Такие решения обеспечивают переход от кинематических характеристик движений земной поверхности к динамическим параметрам блоков земной коры, поэтому предлагается следующая технология проектирования, создания и реализации технических решений ГДП.
1. Создание проекта.
2. Установление границ (идентификация) блоков земной коры разных рангов в районе освоения месторождения.
3. Выделение условно-стабильного блока земной коры.
4. Выбор местоположения условно-стабильных пунктов ГДП.
5. Выбор местоположения сети мобильных пунктов ГДП.
6. Закрепление пунктов многоуровенных структурно ориентированных построений ГДП с учетом глубины проникновения разломов земной коры.
7. Регистрация кинематики блоков земной коры и соответствующих изменений силы тяжести.
8. Определение динамических параметров блоков земной коры.
4
Геодезия и маркшейдерия
Теоретической основой указанного перехода является гипотеза о преемственности новейших движений в современный период. Идентификация (установление границ на местности) блоков земной коры новейшего периода заключается в определении их положения на местности и в горных выработках. В горных выработках границами блоков земной коры служат зоны трещиноватости, смятости, несогласий залегания пород, а на местности - геоморфологические особенности рельефа. В случае отсутствия таких признаков применяются инструментальные методы, выбор которых зависит от наличия приборной и информационной базы.
Количество стабильных пунктов рекомендуется не менее четырех. Однако их закрепление предлагается проводить в условно-стабильном блоке земной коры. Выделение условно-стабильного блока земной коры основано на реализации фундаментальной гипотезы о действии и релаксации напряжений. При этом его выбор основывается на минимуме вертикальных движений относительно соседних. Такую информацию легко можно получить при его выделении по картографическим материалам. Условно-стабильный блок земной коры предлагается выделять из нескольких (в общем случае п) одного ранга на основе выполнения критерия [w] = min, где v - разности наивысших отметок блоков земной коры (табл. 1, рис. 1).
Таблица 1
Выделение условно-стабильного блока земной коры на локальном уровне
(V ранга)
Блок земной коры Разности превышений v, в м [vv]
230 0 57,3 45,2 5 326,3
287,3 -57,3 0 -12,1 3 429,6
275,2 -45,2 12,1 0 2 189,5
Мобильные пункты построений ГДП находятся в прямой зависимости от взаимодействия блоков земной коры месторождения по разломам. Ячейкой сети ГДП являются мобильные пункты, заложенные в каждом блоке земной коры. Их число зависит от его конфигурации. Число ячеек, в свою очередь, зависит как от иерархии блоков земной коры в районе освоения месторождения, так и от его границ. Минимальное количество мобильных пунктов для каждого из них должно быть не менее четырех, с заложением в вершине и узлах пересечения разломов с учетом глубины проникновения [1, 2]. Закрепление мобильных пунктов сети ГДП предлагается проводить кустами с подземными центрами разной глубины заложения с датчиками для регистрации температуры, что позволит получить более подробную информацию о количественных характеристиках движений блоков земной коры. Глубина заложения пунктов ГДП определяется глубиной проникновения разлома в земную кору, которая зависит от его протяженности. Минимальная глубина заложения пунктов ГДП может быть установлена экспериментально с помощью программы «ВМ». На рис. 2 приведен
5
Геодезия и маркшейдерия
пример зависимости изменения деформаций блока земной коры VI ранга от глубины заложения пунктов структурно ориентированных построений ГДП.
Рис. 1. Схема расположения блоков земной коры V ранга
Рис. 2. Зависимость относительных изменений деформаций блока земной коры VI ранга от глубины заложения пунктов построений ГДП
6
Геодезия и маркшейдерия
За единицу приняты изменения деформаций блока земной коры VI ранга с учетом глубины проникновения разлома 560 м. Зависимость, представленная на рис. 2, свидетельствует о том, что в результате такого заложения обеспечивается возможность учета глубины проникновения разлома в земную кору. Так, для определения изменений во времени деформации блока земной коры VI ранга с вероятностью 67 % глубина заложения должна быть не менее 300 м.
Регистрация развития природных и техногенных геодинамических процессов блоков земной коры на пунктах структурно ориентированных построений ГДП основана на прямо пропорциональной зависимости средних квадратических погрешностей измерений от скорости изменения во времени деформаций блоков земной коры в год, не приводящих к проявлению ГДЯ (менее 110-6 год ~').
Многоступенчатость структурно ориентированных построений ГДП в районе освоения месторождения определяется геодинамической активностью блоков земной коры рангов R и R + 1 (их скоростью изменения во времени деформаций более 3 10-6 в год). Геометрические параметры построений определятся масштабами блоков земной коры, при соблюдении принципа от общего к частному.
Условие многоуровенности построений ГДП имеет следующий вид:
Уегг [t - 10] (R) > 3V<sп [t - 10] "I
Уеи [t - 10](R + 1) > m„[t - 10] -
(1)
Такие построения предлагаются сначала для изучения геодинамически активных блоков (ГАБ) земной коры V ранга в районе освоения месторождения, а затем - для VI ранга по мере освоения месторождения.
Технология интерпретации динамических параметров блоков земной коры включает:
• зонирование блоков земной коры по степени опасности развития их деформаций;
• функциональное зонирование развития деформаций блоков земной коры;
• оценка степени возможного риска проявления ГДЯ при освоении месторождения.
Теоретической основой реализации зонирования блоков земной коры по степени опасности развития является фундаментальная гипотеза об учете медленных скоростей деформаций земной коры, не приводящих к проявлению геодинамических явлений. По степени опасности развития деформаций блоки земной коры предлагается подразделять на четыре группы (класса):
• I - геодинамически неактивный блок земной коры (ГНАБ ЗК);
• II - геодинамически активный блок земной коры (ГАБ ЗК);
• III - ГАБ ЗК, в котором формируется очаг геодинамического явления (ФО ГДЯ);
7
Геодезия и маркшейдерия
• IV - ГАБ ЗК, в котором сформирован очаг геодинамического явления (О ГДЯ), предполагающий оценку предельного энергонасыщения (или произошедшее проявление ГДЯ).
Критерием выявления ГАБ ЗК при проведении зонирования является выполнение условия:
Уе« [t - t 0] > 3Уе „ [t - 10], (2)
где Уе гг [t - 10] - скорость деформации исследуемого блока земной коры в год;
Уеn [t - t0] - скорость деформации земной коры, не приводящая к проявлению геодинамических явлений, равная 1 ■ 10-6 год-1.
В основе этого критерия лежит фундаментальная гипотеза об оценке медленных скоростей деформаций блока земной коры, не приводящая к проявлению ГДЯ.
Методика зонирования блоков земной коры по степени опасности развития деформаций в районе месторождения, обусловленных совместным влиянием природной и техногенной геодинамики за период повторных наблюдений на ГДП, заключается в следующем.
1. Определение динамических параметров блока земной коры Дгг [t - t0] за период t - t0 (по программе «ВМ»), вычисление величин их изменений во времени в год.
2. Определение степени опасности развития деформаций блока земной коры, которая устанавливается по величине изменений во времени динамических параметров: I степень опасности - изменения во времени компонентов деформаций менее 3 ■ 10 6 год-1; II степень опасности - изменения во времени компонентов деформаций более 3 ■ 10 6 год-1; III степень опасности - изменения во времени компонентов деформаций от 15 ■ 10 6 до 22,4 ■ 10 6 год-1; IV степень опасности - изменения во времени компонентов деформаций более 22,4 ■ 10 6 год-1.
Функциональное зонирование развития деформаций блоков земной коры на предварительном этапе позволяет решать следующие задачи геомеханического обеспечения геотехнологии освоения недр:
1) установление порядка и систем разработки;
2) ориентирование направления капитальных горных выработок;
3) планирование скорости подвигания забоев и других технологических параметров;
4) управление горным давлением.
Функциональное зонирование развития деформаций блоков земной коры на стадии освоения месторождения является следующим этапом их изучения и проводится в ГАБ ЗК. Решение таких задач не может быть выполнено широко распространенными традиционными методами (поперечников, створов, сдвигов и другими). Поэтому предлагаются иные решения, которые включают:
8
Геодезия и маркшейдерия
• определение типа геодинамической ситуации;
• контроль изменения во времени главных направлений деформаций блоков земной коры;
• ранжирование изменений во времени деформаций блоков земной коры;
• контроль накопления потенциальной энергии деформирования блоков земной коры.
Теоретической основой оценки возможного риска проявления ГДЯ при освоении угольного месторождения является фундаментальная гипотеза об активизации развития деформаций блоков земной коры под влиянием интенсивных техногенных процессов [3]. Такая активизация развития деформаций блоков земной коры определяется не только геологическими условиями месторождения, но и масштабами и интенсивностью его освоения.
Оценка риска такого проявления включает экспертный анализ степени опасности (О) и степени уязвимости (У), который количественно выражается коэффициентом риска (Р)
Р = ОУ. (3)
За основу количественной оценки риска принят широко известный подход получения нормирующих коэффициентов, характеризующих долю от наиболее неблагоприятной ситуации, принимаемой за единицу. Для определения указанных коэффициентов формируются интегральные коды по показателям опасности и уязвимости. Оценка степени риска возможного проявления ГДЯ разрушительного характера при освоении угольного месторождения включает следующее.
1. Определение на основании экспертного анализа интегрального кода (показателей А, Б, В и Г), характеризующего степень опасности.
2. Определение на основании экспертного анализа интегрального кода (показателей Д, К и Л), характеризующего степень уязвимости.
3. Определение нормирующего коэффициента О, характеризующего степень опасности
О = Y_Pi at а0, (4)
где pt - вес t-го показателя опасности (для показателей А, Б, В принят равным 0,2, а для Г - 0,4); at -значение кода t-го показателя опасности (А, Б, В и Г); а0 - нормирующий множитель.
4. Определение нормирующего коэффициента У, характеризующего степень уязвимости,
У = Ер at ao, (5)
где Pi - вес t-го показателя уязвимости (для Д pt = 0,5, К - 0,3 и Л - 0,2); at -значение кода i-го показателя уязвимости (Д, К, Л); a0 - нормирующий множитель.
9
Геодезия и маркшейдерия
5. Определение коэффициента возможного риска выполняется согласно (3).
6. Степень риска проявления ГДЯ разрушительного характера по величине Р (малая - не более 0,15; умеренная - от 0,15 до 0,3; большая - от 0,3 до 0,5; критическая - свыше 0,5).
Для четырех шахт оценка возможного риска проявления ГДЯ была определена по формуле (3). Исследуемые шахты характеризуются не только расположением в разных частях Кузбасса, но и геодинамической активностью блоков земной коры разных рангов (для шахты «Коксовая» и ООО «Шахтоуправление «Карагайлинское» - блока земной коры IV ранга, а в блоке земной коры V ранга для шахт «Бутовская» и «Красноярская» - V ранга). Она в количественном выражении представлена в табл. 2.
Таблица 2
Степень возможного риска проявления ГДЯ на шахтах Кузбасса
Шахта Р Степень риска проявления ГДЯ
«Коксовая» 0,35 Большая
«Красноярская» 0,12 Малая
ООО «Шахтоуправление «"Карагайлинское"» 0,35 Большая
«Бутовская» 0,26 Умеренная
На основании выполненных исследований сделаны следующие выводы.
1. Показано, что изучение изменений во времени деформаций блоков земной коры в районах освоения месторождений традиционными методами классической геодезии невозможно.
2. Предложены новые технологические решения, включающие совершенствование как геодезических построений ГДП, так и регистрации кинематики блоков земной коры и ее интерпретации.
3. Установлено, что основным отличием метода структурно ориентированных построений ГДП является обеспечение определения динамических параметров блоков земной коры не в какой-то субгоризонтальной плоскости, а на глубине h, характеризующей центр тяжести этого построения.
4. Разработанная технология интерпретации динамических параметров блоков земной коры обеспечивает переход к новым безопасным и экологически чистым технологиям освоения месторождений на основе:
• зонирования блоков земной коры по степени опасности развития их деформаций;
• функционального зонирования развития деформаций блоков земной коры;
• оценки степени возможного риска проявления ГДЯ при освоении месторождения.
5. Изучение изменений во времени деформаций блоков земной коры позволяет не только регистрировать информацию о геодинамических и техногенных
10
Геодезия и маркшейдерия
процессах при освоении недр и контролировать их состояние, но и повысить уровень их безопасности, снизить риск и уменьшить последствия проявлений ГДЯ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Соловицкий А. Н. Об особенностях формирования системы контроля деформаций блоков земной коры при освоении угольных месторождений Кузбасса // Геодезия и картография. - 2012. - № 10. - С. 13-16.
2. Каленицкий А. И., Соловицкий А. Н. Особенности технологии изучения изменений во времени деформаций блоков земной коры при освоении месторождений Кузбасса // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 58-61.
3. Соловицкий А. Н. Оценка возможного риска проявления геодинамических явлений при освоении месторождений Кузбасса // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: Материалы XIV Междунар. научно-практ. конф. - Кемерово, 2012. - T. 1. - С. 58-61.
Получено 13.11.2013
© А. П. Карпик, А. И. Каленицкий, А. Н. Соловицкий, 2013
11
