CC BY
26
УДК 551.24.03
© О.Г. Черныш, 2014
ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ И УДАРООПАСНОСТЬ НА ШАХТАХ СЕВЕРОУРАЛЬСКОГО БОКСИТОНОСНОГО РАЙОНА
Изучен механизм динамических явлений на шахтах Североуральского боксито-носного района. С помощью методики кинематического анализа трещинно-разрывных структур реконструированы тектонические поля напряжений по всей совокупности замеренных тектонических сколов исследуемых участков. Поле палеонапряжений горного массива района характеризуется широтным сжатием и субмеридиональным растяжением. Подобная ориентировка главных нормальных напряжений действует в массиве и в настоящее время. Для зон горных ударов характерен «пульсирующий» тип поля напряжений. Ключевые слова: тектонические поля напряжений, кинематический анализ, динамические эффекты, Североуральский бокситоносный район.
В связи с напряженной геодинамической обстановкой на ряде шахт Североуральского бокситоносного района, выраженной частыми горными ударами в зонах тектонических нарушений, в ряде горных выработок и естественных обнажений были проведены структурно-тектонофизические исследования. По различным деформационным элементам горного массива были реконструированы параметры действовавших тектонических полей напряжений по методике кинематического анализа трещинно-разрывных структур, разработанной О.И. Гущенко (ИФЗ РАН) и усовершенствованной В.А. Корчемагиным (ДонНТУ МОН Украины). В качестве основных параметров тектонических движений в этой методике используются ориентировки векторов сдвиговых смещений и ориентация в пространстве самих сместителей сколовых трещин. Это позволяет использовать для реконструкции параметров полей напряжений всю совокупность разрывов и ослабленных поверхностей, по которым происходили подвижки при тектонических процессах. В результате было установлено, что в горном массиве действуют сжимающие напряжения, по величине существенно превышающие теоретические значения, вычисленные для соответствующей глубины без учета тектонических сил. Максимальные сжимающие напряжения ориентированы в субширотном направ-
лении, перпендикулярно простиранию уральских структур. Минимальное сжатие фиксировалось по простиранию последних.
Динамические явления в шахтах и рудниках - горные удары, выбросы угля (породы) и газа известны уже свыше 200 лет во многих горнопромышленных районах мира. Эти явления, часто приводящие к значительным материальным убыткам и человеческим жертвам, существенно осложняют ведение горных работ. В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения то, что в развязывании подобных явлений существенную роль играют напряжения, действующие в горном массиве. Наиболее отчётливо это проявляется при горных ударах. Горные удары - это хрупкое разрушение предельно напряженной части массива пород в зоне влияния горных выработок. При этом прочностные свойства горных пород, подверженных горным ударам колеблются в очень широких пределах. Это угли (каменные и бурые), соли, бокситы, а также различные вмещающие породы (как осадочные, так и кристаллические).
Непосредственные измерения напряжений в горных выработках во многих регионах показывают, что напряженное состояние массива отличается от нормального изостатического. Измеренные горизонтальные напряжения сжатия во многих местах значительно (в 2-3 раза) превышают величину расчетных боковых напряжений. Определения пространственной ориентировки главных осей эллипсоида напряжений для многих участков консолидированной коры также указывает на их отклонение от вертикального и горизонтального положения на угол до 30°, причем максимальное главное нормальное напряжение чаще всего ориентировано ближе к горизонтали, чем к вертикали. Всё это свидетельствует о том, что в земной коре преобладают напряжения, вызванные тектоническими силами, и напряженное состояние горного массива, в общем случае, является результатом суммирования нормальных изостатических и тектонических напряжений.
Механизм динамических явлений в этом случае можно представить в следующем виде. Дополнительные тектонические напряжения увеличивают прочность горных пород, вследствие чего последние могут накапливать дополнительную потенциальную энергию без разрушения. В результате в массиве образуются участки повышенных напряжений. При нарушении в ходе горных
работ установившегося равновесного состояния на подобных участках может происходить взрывообразное высвобождение накопившейся энергии. В результате происходит разрушение горных пород, а накопившаяся энергия высвобождается в виде сейсмических волн.
В определённой области вокруг уже существующих дизъ-юнктивов в поле тектонических напряжений существуют и зафиксированы инструментальными методами повышенные касательные напряжения. Конфигурация этих зон и их размеры зависят от типа разрыва, его пространственной ориентировки и положения относительно траекторий осей главных нормальных напряжений. При наложении на эти области зон опорного давления от горных выработок в них велика вероятность мгновенного разрушения части горного массива. Поэтому часто отмечается приуроченность выбросов и горных ударов к зонам геологических нарушений.
С учётом всего вышеизложенного разработка методов прогноза и борьбы с динамическими явлениями невозможна без изучения тектонических полей напряжений.
Действовавшие и действующие в массиве поля напряжений могут изучаться различными инструментальными, а также структурными методами. Одни из них позволяют определять параметры полного тензора напряжений, другие - лишь отдельные из этих параметров. Соответственно, инструментальные методы обычно характеризуют суммарные поля напряжений, действующие в горном массиве на момент их определения. Структурные же способы основаны на взаимосвязи величин главных напряжений с микро- и макродеформационными структурами (направлением деформирования минеральных зёрен, трещинами, зеркалами скольжения, складками и т.п.), т.е. они реконструируют поля напряжений уже реализованные в различных деформациях. При этом инструментальные определения характеризуют поля напряжений самого низкого структурного уровня, действующие в локальных объёмах массива. Структурные методы позволяют реконструировать тектонические поля напряжений самого разного уровня.
Существует несколько структурных методик, позволяющих реконструировать параметры действовавших в горном массиве тектонических полей напряжений по различным деформацион-
ным элементам горного массива. Наиболее простой и универсальной, на наш взгляд, является методика кинематического анализа трещинно-разрывных структур, разработанная О.И. Гущен-ко (ИФЗ РАН) [Гущенко, 1973, 1979] и усовершенствованная В.А. Корчемагиным (ДонНТУ МОН Украины) [Корчемагин, Емец, 1982]. В качестве основных параметров тектонических движений в этой методике используются ориентировки векторов сдвиговых смещений и ориентация в пространстве самих смести-телей сколовых трещин. Это позволяет использовать для реконструкции параметров полей напряжений всю совокупность разрывов и ослабленных поверхностей, по которым происходили подвижки при тектонических процессах. Основными параметрами восстановленных тектонических полей напряжений при этом являются: пространственная ориентировка осей главных нормальных напряжений (с! - максимальных растягивающих, с3 -максимальных сжимающих и с2 - промежуточных), а также коэффициент |о,с, отражающий вид напряженного состояния, при котором происходили тектонические деформации. Абсолютные значения напряжений этой методикой не определяются.
Коэффициент ц,с может меняться от +1 (при одноосном сжатии) до -1 (при одноосном растяжении).
Процесс решения задачи и нахождения пространственной ориентации осей главных нормальных напряжений (с!> с2> с3), а также соотношений величин девиаторной части тензора (коэффициента цс) может осуществляться аналитически или с помощью простых графических построений на сетке стереографических проекций. При этом реконструкции производятся на трёх структурных уровнях:
- локальном (в пределах отдельного обнажения, горной выработки);
- мезорегиональном (шахтное поле, группа шахт);
- региональном (регион в целом).
Изучение тектонических напряжений и прогноз динамической активности весьма актуальны для шахт Северо-Уральского бокситоносного района (СУБРа). За последние годы здесь было зарегистрировано более 7000 сейсмических явлений. По пространственному расположению они охватывают как рудную залежь, так и покровные и подстилающие породы. Некоторые из
этих явлений достигают значительной силы. Так, горный удар, произошедший в зоне тектонического нарушения «3-й Северный сброс» на абсолютной отметке -333 м, сопровождался сотрясением горного массива, зданий и сооружений на поверхности в радиусе 18 км. Он был зафиксирован сейсмостанциями, расположенными в сотнях километров (например, «Свердловск» в 375 км) и классифицирован как землетрясение с магнитудой 4,3.
Результаты, приведенные в работе, были получены в ходе структурно-тектонофизических исследований, проводившихся на шахтах СУБРа. Наблюдения выполнялись в горных выработках шахт №13, 14, 15, а также на естественных обнажениях по рекам Вагран и Калья.
В геологическом строении полей шахт №13, 14, 15, в горных выработках которых был выполнен основной объём тектонофи-зических исследований, принимают участие образования верхнего силура и девона [Кирпаль, 1977]. Силурийские отложения представлены андезито-базальтовыми порфиритами (покровская свита), которые выше по разрезу перекрываются массивными и слоистыми известняками (воскресенская и колонгинская свиты), а также вулканогенно-осадочными и осадочными породами сось-винской свиты. Субровский рудный горизонт, мощностью до 20 м, залегает на размытой неровной поверхности петропавловской свиты (822-Б1), и перекрыт известняками вагронской свиты (эйфель, Б12). Мощность известняковых горизонтов весьма изменчива, нередки их замещения гравелитами, песчаниками, глинистыми и туфогенными сланцами. В структурном плане поля шахт размещены на западном крыле крупной синклинали меридионального простирания. Залегание рудного горизонта довольно выдержанное, средние элементы залегания пород - аз. пад.80-90° Z20-30°. Шахтные поля находятся в лежачем крыле крупного надвига север - северо-восточного простирания (аз. пр. 5-20°), сместитель которого падает на восток под углами 40-50°. На дневной поверхности сместитель этого надвига закартирован восточнее полей шахт. По простиранию с юга на север он постепенно удаляется от выходов рудного горизонта на расстояние до 2-3 км.
К структурам более мелкого ранга относятся крупные разрывы, служащие техническими границами шахтных полей. Среди
них преобладают относительно крутопадающие разрывы северовосточного простирания, в кинематическом плане представляющие собой левые сбросо-сдвиги.
Горизонтальная амплитуда смещения по наиболее крупным из них достигает 750 м при вертикальной составляющей разобщения одноименных стратиграфических горизонтов до 500 м. Подобные разрывы ограничивают шахтные поля по простиранию и, по-видимому, являются наиболее молодыми, нередко смещая разрывы других ориентировок. Продольные (по отношению к простиранию пород) разрывы ограничивают шахтные поля по падению. Так поля шахт №14 и №15 разобщены близмеридио-нальным разрывом (с элементами залегания аз. пад.250-260° Z50°). Стратиграфическая амплитуда смещения рудного горизонта по этому нарушению достигает 300-500 м (рис.1). Судя по ориентировке борозд скольжения на стенках сместителя, данный разрыв представляет собой сбросо-сдвиг.
Помимо вышеупомянутых, горными работами шахт №13, 14 и 15 была встречена масса более мелких разрывов, среди которых преобладают сместители северо-восточной, меридиональной и близширотной ориентировки (рис. 1). Амплитуды смещений по ним составляют единицы и десятки метров. По многим из них фиксируются сдвиговые подвижки с различной вертикальной составляющей. Данные нарушения обусловливают мелкоблоковую структуру отдельных шахтных полей (преобладают блоки треугольной или трапециевидной формы). Средние линейные размеры таких блоков составляют 300-500 м. Они часто характеризуются различной интенсивностью тектонической нарушенности и различным видом напряженного состояния массива горных пород.
Трещинная тектоника различных блоков определяется, прежде всего, пространственным положением и кинематикой ограничивающих блоки разрывов. Наиболее интенсивная тектоническая трещиноватость фиксируется на участках, непосредственно прилегающих к разрывам. По мере удаления от тектонических ограничений блоков её интенсивность падает. Мелкие тектонические нарушения и зеркала скольжения в крыльях таких разрывов обычно субпараллельны основному сместителю или образуют с ним острый угол. На стереограммах полюса подобных трещин формируют максимумы различной интенсивности вокруг полюса
Юж.вент.^<<
Рис.1. Схематический план горных работ шахт №14, 15 и ориентировка тектонических сколов для района (а) и поля шх.№15 (б):
1 - изогипсы почвы рудного горизонта; 2 - тектонические разрывы; 3 - контур горных работ (б) и места горных ударов (а); 4 - шахтные стволы: вертикальные (а), наклонные (б); на стереограммах: 5 - изолинии плотности распределения полюсов разрывов; 6 - след (а) и полюс (б) плоскости напластования; 7 - ось (а) и пояс (б) симметрии.
основного сместителя (рис. 2, а). Иногда полюса зеркал скольжения на стереограммах концентрируются вдоль больших кругов, образуя непрерывные или фрагментирован-ные (состоящие из нескольких отдельных максимумов) пояса. Обычно эти пояса совпадают с кинематической плоскостью крупного разрыва, либо с плоскостью напластования (рис. 2, б). Реже полюса мелких разрывов рассеиваются вдоль следа плоскости самого основного нарушения (рис. 2, в). На сводных стерео-граммах, характеризующих трещинную тектонику отдельных шахтных полей и участка в целом, отчетливо выделены пояса полюсов оперяющих трещин, совпадающие со следом усреднённой плоскости напластования и менее выраженные ортогональные им пояса (рис. 1 а, б). Т.о., основная масса мелких тектонических разрывов обладает двойной симметрией - относительно напластования пород и относительно плоскостей более крупных нарушений.
Подобная симметрия свидетельствует о генетическом родстве всех этих структурных элементов. Образование большинства мелких тектонических разрывов было обусловлено подвижками по плоскостям более крупных дизъюнктивов. При этом активизировались по уже существующим в горном массиве первичным неоднородностям - «нормальносекущим» трещинам и плоскостям межслоевых срывов.
Для реконструкции параметров тектонических полей напряжений применялся метод кинематического анализа трещинно-разрывных структур [Гущенко, 1973, 1979; Корчемагин, 1982].
Рис.2. Распределение тектонических сколов в крыльях крупных разрывов (горные работы шх.№15): 1 - изолинии плотности распределения полюсов трещин; 2 - плоскости: напластования (а), крупных разрывов (б); 3 - полюса: напластования (а), основного разрыва (б); 4 - полюса отдельных трещин (а) и ось пояса симметрии (б)
При этом использовалась вся совокупность замеренных тектонических сколов (всего более 400). На локальном структурном уровне, наиболее полная характеристика которого получена для полей шахт №13 и 15, наблюдаются довольно значительные изменения параметров напряженного состояния массива горных пород (рис. 3).
Траектории главных нормальных напряжений и коэффициент Лодэ-Надаи особенно резко изменяют свои значения при переходе через разрывы, ограничивающие отдельные блоки шахтных полей. В пределах шахты №15 ориентация осей напряжения более-менее устойчива. Ось главных нормальных растягивающих напряжений (С]) в локальных объёмах занимает преимущественно близгоризонтальное положение и ориентируется в северовосточном направлении. Ось главных сжимающих напряжений (С3) изменяет своё положение от почти вертикального до горизонтального и ориентирована в субширотном направлении.
Суммарное для поля шахты поле напряжений характеризуются следующими элементами залегания осей главных нормальных напряжений: ось С1 - аз. пад.188°Z7°, ось с3 - 284°Z63°. На поле шахты №13 более выдержана ориентировка в пространстве оси С3 при более нестабильном положении оси С1. На мезорегио-нальном структурном уровне (т.е. в объёмах соизмеримых с размерами шахтного поля) тектоническое поле напряжений имеет
Рис.3. Реконструкции поля тектонических напряжений: а - поле шх. №13, б - поле шх.15, в - долина р. Калья: 1 - ось растяжения СТ мезорегионального (а) и локального (б) уровней; 2 - ось сжатия ст3 мезорегионального (а) и локального (б) уровней; 3 - плоскости действия главных нормальных напряжений; 4 -конические поверхности, ограничивающие области с одноименными осями; 5 - шарниры мелких складок (а), полюса плоскостей напластования (б)
здесь следующие характеристики: ось С1 - аз.пад.8°Z6°, ось с3 -аз.пад.265° Z58°. Поле восстановленное по замерам, выполненным в естественных обнажениях на поверхности, в долине р.Калья характеризуется следующей ориентировкой осей - ось С1 - аз.пад.358°Z20°, ось с3 - 262°Z22°. В целом, восстановленное поле тектонических напряжений характеризуется практически горизонтальным субмеридиональным (аз. пр. - 360-10°) растяжением и широтным (аз. пр.265-275°) сжатием. Значения коэффициента Лодэ-Надаи суммарного поля тектонических напряжений близки к 0 (ца=+0,1-0,2), т.е. напряженное состояние горного массива близко к чистому сдвигу с небольшим дополнительным сжатием.
Можно отметить, что реконструированное структурными методами поле тектонических напряжений по своим параметрам совпадает с полем, действующим в горном массиве в настоящее время и зафиксированном инструментальными методами. Было установлено, что в горном массиве действуют сжимающие напряжения, по величине существенно превышающие теоретические значения, вычисленные для соответствующей глубины без учета тектонических сил. При этом максимальные сжимающие напряжения ориентированы в субширотном направлении, перпендикулярно простиранию уральских структур. По простиранию этих структур фиксировалось минимальное сжатие или даже растяжение.
Суммируя всё вышеизложенное, можно заключить:
1. В горном массиве района реконструировано поле па-леотектонических напряжений, характеризующееся широтным сжатием и близмеридиональным растяжением. Поле с подобной же ориентировкой главных усилий действует в массиве и в настоящее время.
2. Основная масса трещинно-разрывных структур района формировалась в этом поле. При этом смещения по крупным дизъюнктивам вызывали подвижки по уже существующим неод-нородностям горного массива (первичной трещиноватости, плоскостям наслоения).
3. Для зон горных ударов зафиксирован специфический «пульсирующий» тип поля напряжений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алейников А.Л. и др. Геодинамика Урала по данным натурных и модельных исследований // Геология и геофизика. 1977, №2. - С.156-158.
2. Беседа А.П. и др. Особенности палеотектонических полей напряжений в выбросоопасных зонах Донецко-Макеевского и Центрального районов Донбасса // Сб.науч. трудов ДонНТУ. Донецк: ДонНТУ, 2007. Серия горногеологическая. Вып.6 (125). - С.19-23.
3. Гущенко О.И. Анализ ориентировок сколовых тектонических смещений и их тектонофизическая интерпретация при реконструкции палеонапряже-ний // Док.АН СССР. 1973. Т.210. №2. - С.331-334.
4. Гущенко О.И. Метод кинематического анализа структур разрушения при реконструкции тектонических напряжений // Поля напряжений и деформаций в литосфере. М.: Наука, 1979. - С.7-25.
5. Кирпаль Г.Р. Промышленные типы месторождений бокситов и их геолого-экономическая оценка. - М.: Недра, 1977. - 264 с.
6. Корчемагин В.А., Емец В.С. К методике реконструкции и разделения наложенных полей напряжений // Док.АН СССР. 1982. Т.263. №1. - С.163-168.
7. Ломакин В.С., Потехин Р.П., Гореев Е.С., Колесов В.А. К оценке подвижности блочной структуры месторождений по сейсмологическим наблюдениям.// Геодинамика месторождений. Сб. трудов. - Кемерово, Кузбасский П.И., 1988. - С.95-98.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Черныш Ольга Геннадиевна - кандидат геологических наук, Инженерная школа Дальневосточного федерального университета.
UDC 551.24.03
TECTONIC STRESS FIELDS AND SHOCK DANGER ON THE NUBR MINES
Chernysh O.G., Candidate of Geological Sciences, school of Engineering, far Eastern Federal University, Russia
The mechanism of dynamic effects on Severouralsk bauxite-bearing region is studied. Stress tectonic fields on the sum total of tectonic shear fracture measurements of explorated regions are reconstructed by kinematic method of fractured structures. The field of paleostresses of the region massif is characterized by latitudional compression and submeridional tension. The same orientation ofprincipal normal stresses is active at present. Pulsating type of stress field is typical for mining shock zones.
Key words: tectonic stress fields, kinematic analysis, dynamic effects, North-Ural bauxite-bearing region.
REFERENCES
1. Aleinikov A.L. i dr. Geodinamika Urala po dannym naturnykh i model'nykh issledovanii // Geologiya i geofizika. 1977, No2, pp. 156-158.
2. Beseda A.P. i dr. Osobennosti paleotektonicheskikh polei napryazhenii v vybrosoopas-nykh zonakh Donetsko-Makeevskogo i Tsentral'nogo raionov Donbassa // Sb.nauch. trudov DonNTU. Donetsk: DonNTU, 2007. Seriya gorno-geologicheskaya. Vyp.6 (125), pp.19-23.
3. Gushchenko O.I. Analiz orientirovok skolovykh tektonicheskikh smeshche-nii i ikh tek-tonofizicheskaya interpretatsiya pri rekonstruktsii paleonapryazhenii // Dok.AN SSSR, 1973, Vol.210, No2, pp.331-334.
4. Gushchenko O.I. Metod kinematicheskogo analiza struktur razrusheniya pri rekonstruktsii tektonicheskikh napryazhenii (Method of kinematic analysis of fracture structures in the reconstruction of tectonic stress)// Polya napryazhenii i deforma-tsii v litosfere, Moscow, Nauka, 1979, pp.7-25.
5. Kirpal' G.R. Promyshlennye tipy mestorozhdenii boksitov i ikh geologo-ekonomicheskaya otsenka (Industrial types of bauxite deposits and their geologo-economic assessment), Moscow, Nedra, 1977, 264 p.
6. Korchemagin V.A., Emets V.S. K metodike rekonstruktsii i razdeleniya nalozhennykh polei napryazhenii // Dok.AN SSSR, 1982, Vol.263, No1, pp.163-168.
7. Lomakin V.S., Potekhin R.P., Goreev E.S., Kolesov V.A. K otsenkepodvizhnosti bloch-noi struktury mestorozhdenii po seismologicheskim nablyudeniyam// Geodinamika mestorozhdenii. Sb. Trudov, Kemerovo, Kuzbasskii P.I., 1988, pp.95-98.
