CC BY
69
УДК 622.831:622.502 551.14 550343.4 А.С. Батугин
ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГОРНОТЕКТОНИЧЕСКИХ УДАРОВ С ПОДВИЖКАМИ КРЫЛЬЕВ КРУПНЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ
Исследованиями автора в 1983-86 годах на шахтах СУБРа, 1992-93 годах на шахтах Бейпяо было установлено соответствие направлений подвижек при горно-тектонических ударах по мелким тектоническим нарушениям техногенному полю напряжений, связанному с ведением горных работ, а по крупным тектоническим нарушениям — современному тектоническому полю напряжений. Для объяснения этих фактов автор использует соотношение между размерами области подготовки горного удара R и размерами его очага г. Ключевые слова: тектонофизическая модель горно-тектонических ударов с подвижками крыльев крупных тектонических нарушений.
Семинар № 11
"^Характерной чертой горно-тектонических ударов является ./л.то, что они происходят со смещением крыльев тектонических нарушений на величину до первых десятков сантиметров. В 1982-86 годах при обследовании гипоцентров нескольких крупных горно-тектонических ударов и изучении тектонической нарушен-ности и трещиноватости на Северо-Уральском бокситовом руднике автор обратил внимание на то, что подвижка крыльев крупных нарушений при горно-тектоническом ударе происходит практически в том же направлении, которое зафиксировано на их сместителях по «тектоническим» штрихам и бороздам скольжения. То есть ориентировка штрихов скольжения от подвижки во время горнотектонического удара совпадает с ориентировкой более древних штрихов скольжения, табл. 1 [1]. Для мелких нарушений направления смещений по нарушениям при горных ударах распределены хаотично и определяются техногенным полем напряжений, которое сформировано в области ведения горных работ. Как видно из материалов табл. 1, различие в ориентировке угла склонения штрихов у (измеряется в плоскости сместителя как угол между линией про-
стирания и направлением смещения) не превышают 10-150 , т.е. находятся в пределах точности измерения.
Рис. 1. Схема расположения эпицентров горно-тектонических ударов с подвижками по крупным тектоническим нарушениям шахты 15 СУБРа
Таблица 1
Сопоставление ориентировки следов скольжения на крупных нарушениях до и после горно-тектонических ударов
Место наблюдения, название дизъюнктива (рис. 1) Угол склонения штрихов скольжения на сместителе Различие в ориентировке
«старые» следы скольжения После подвижки при горнотектоническом ударе Угол У ®тах аз.пад/ уг.пад
1 Граница блоков 1-1 (нарушение 25-25) 25 10 15 28/20
2 2-й Северный сброс 115 125 10 12/16
3 Граница блоков 5-5 (нарушение 6-6) 10
4 Апофиза 3-го Северного сброса (нарушение 7-7) 100 90 10 28/20
5 Восточный сброс 70 75 5 9/18
Эти наблюдения привели автора к мысли о том, что подвижки по крупным нарушениям происходят в направлении действия касательных напряжений современного поля напряжений и легли в основу предлагаемой тектонофизической модели горнотектонического удара с подвижкой крыла тектонического нарушения.
Взаимодействие тектонического нарушения с полями напряжений разных рангов.
Из представлений об иерархической соподчиненности полей напряжений (Осокина Д.Н. и др.) следует вывод о том, что подвижка по нарушению заданного размера (длины !) может произойти только под действием поля напряжений не ниже некоторого ранга. Поле напряжений, локальное по отношению к данному разрыву, не может вызвать по нему подвижку. Поле напряжений, вызывающее подвижку, действует в некоторой области R, включающей данное нарушение и является региональным по отношению к нему.
В соответствии с положениями тектонофизики подвижка по произвольно ориентированному сместителю происходит в направлении вектора максимального касательного напряжения, действующего в плоскости данного сместителя. Ориентация максимального касательного напряжения, действующего в плоскости произвольно ориентированного сместителя зависит от ориентации осей напряжений регионального по отношению к данному сместителю поля напряжений и соотношения их величин и может быть выражена аналитически [2].
При физическом и математическом моделировании, это внешнее (региональное) поле напряжений часто задается действующим на бесконечности. Имеются также оценки отношения размеров области R к размеру нарушения / его очага.
Из представлений о балансе энергии горного удара следует, что энергия горного удара складывается из энергии упругих деформаций, накопленных в очаговой зоне и энергии, накопленной боковыми породами. При этом доля энергии, накапливаемой в целиках угля, составляет лишь несколько процентов от полной потенциальной энергии горного удара [3] . Например, расчеты полной потенциальной энергии, проявившейся при горном ударе 12 мая 1963 года на шахте им. Калинина Кизеловского бассейна показали, что в угле заключено лишь 7,3% полной потенциаль-
ной энергии горного удара. При ширине очистной выработки более 100 м эта доля может сократиться до 2-3%. Отсюда, учитывая зависимость выделяемой энергии от объема пород можно получить соотношение г размеров области подготовки горного удара R к размерам его очага I г = Ш, до 3-5.
В работе [4] на основе изучения геомеханического взаимодействия породного и закладочного массива соотношение размеров «работающего» блока и диаметра полости оценено как 69. Такой же порядок соотношения между размерами блоков и областями деформаций принят при математическом моделировании напряженного состояния Таштагольского месторождения в работе [5].
Экспериментальные исследования В.А. Смирнова по изучению геофизических полей в областях подготовки горных и горно-тектонических ударов дают оценку отношения R/l до 10 и более [6].
Результаты изучения предвестников землетрясений дают для R/l еще более высокие оценки. Так, в работе М. Усмановой на основе теоретических методических посылок Ю.В. Ризничен-ко рассчитаны значения параметров очагов сильных землетрясений. Средний радиус разрыва составляет 4,4-10,7 км для землетрясений с М8 от 5,5 до 6,4 [7]. В то же время для таких землетрясений выделяют ближнюю (100-200 км) и дальнюю (до 350 км) зоны предвестников землетрясений. Например, для Кегень-ского землетрясения в Казахстане 01.11.1995 с М8 = 5,5 предвестники фиксировались геофизической станцией «Тургень», расположенной в 200 км от эпицентра [8]. С учетом определяемого по материалам М.Усмановой размера R (около 4,5 км) отношение R/l превысит 20.
По результатам тектонофизических исследований автора на СУБРе и месторождении Бейпяо соотношение размеров «однородно напряженных блоков» превышает размер тектонических нарушений на один порядок.
Тектонофизическая модель горно-тектонических ударов с подвижками крыльев тектонических нарушений. При обычных горных ударах с размером области l до 10-20 метров размеры области R составляют первые десятки-сотни метров, т.е. область R лежит в зоне наибольшего изменения первоначального напряженного состояния массива в результате ведения горных работ.
В этом случае при «оживлении» нарушений подвижки по ним должны фиксироваться как происходящие под воздействием техногенного поля напряжений, что подтверждается фактическими данными [9, 10].
При горно-тектонических ударах подвижки по нарушениям фиксируются одновременно на нескольких горизонтах и на сотни метров по простиранию. Например, при горно-тектоническом ударе на СУБРе 5 октября 1984 года видимые смещения по тектоническому нарушению 25-25 отмечались одновременно на горизонтах -230 м, -275 м, -320 м, т.е. около 100 метров по падению залежи, а также более чем на 200 метров по простиранию. Размеры очага горно-тектонического удара 1990 году на шахте Кургазакская на ЮУБРе составляли по простиранию не менее 300 метров, на шахтах Бейпяо в КНР - первые сотни метров. На руднике Колар в Индии по опубликованным данным, размеры очага составляли около 400 метров по падению и сотни метров по простиранию, на руднике Таштагол при горно-тектоническом ударе 24.10.1999 г. - 175 метров.
Если принять по фактическим данным размеры очага в первые сотни метров, то размеры области R, энергия которой участвует в горно-тектоническом ударе, составят уже первые километры, что соизмеримо с блоками земной коры IV ранга, находящихся в процессе самостоятельных тектонических движений и характеризующихся региональным тектоническим полем напряжений. Это региональное поле напряжений и управляет направлениями подвижек при горно-тектоническом ударе по крупным нарушениям. Поэтому направление подвижек по ним увязывается с направлением тектонических сил в регионе, несмотря на влияние поля напряжений более низкого ранга, измененного ведением горных работ [11] .
Под воздействием горных работ создаются не только зоны пригрузки, но обширные зоны разгрузки, связанные с образованием выработанных пространств. Область разгрузки, захватывая сместители нарушений, приводит к уменьшению нормального сжатия крыльев. При этом для крупных протяженных сместите-лей, выходящих за зону влияния горных работ, сдвигающие напряжения не изменяются, так как они относятся к полю напряжений более высокого регионального уровня, и зависят от направленности современных тектонических движений, которые в
регионе на период разработки месторождения можно принимать постоянными. Снижение нормального сжатия крыльев приводит к
снижению ткрит, росту Т у и в итоге срыву блоков пород по
/ ^ крит
сместителю. Такой срыв, по сравнению с нетронутым массивом, облегчается также и тем, что теперь одному из крыльев нарушения есть куда двигаться - в выработанное пространство [3, 11].
Данная тектонофизическая модель подвижек по крупным тектоническим нарушениям согласуется с современной синергетической концепцией самоорганизации массива и находит подтверждение в работах по механизму горно-тектонических ударов [12, 13. 14 и др.].
Примеры горно-тектонических ударов на участках различной степени геодинамической опасности.. Исследованиями автора и др. для угольного месторождения Бейпяо, находяшегося на участке земной коры 4-й степени геодинамической опасности, установлено, что максимальное сжатие действует в субгоризонтальной плоскости по азимуту 255° (рис. 2). Вертикальной осью является ось промежуточных напряжений. В этом поле напряжений нарушения северо-восточной ориентировки испытывают тенденцию к правому сдвиганию, а северо-западной ориентировки - к левому. Крупные нарушения № 8, №9, №10 уходят за границы шахтного поля. По этим нарушениям неоднократно отмечались подвижки блоков пород при горно-тектонических ударах. Результаты обследования сместителей нарушений показывают, что нарушения испытывают реверсивные современные подвижки, не считающиеся с их прежней тектонической кинематикой и направление подвижек подчиняется современному полю напряжений. Нарушение №10 при горно-тектонических ударах работает как левый сдвиг, а нарушения №9 и №8 - как правые сдвиги. У всех нарушений во время горно-тектонического удара двигалось только одно из крыльев -то, породы которого могли смещаться в выработанное пространство.
F9, 32
- 1; -2; - 3; - 4; - 5; - 6
Рис. 2. Тектонофизическая модель горно-тектонических ударов на угольной шахте Бейпяо: 1 - тектонические нарушения; 2 - граница блоков; 3 - направление смещения крыла нарушения при горно-тектоническом ударе; 4 - направление современных касательных напряжений на смесителях нарушений; 5 - кинематический тип нарушения; 6 - номера нарушений
Таким образом, для этого месторождения, находящегося на участке земной коры 4-й степени геодинамической опасности отмечается явление: смещения крыльев крупных различно ориентированных нарушений происходят вдоль сместителей по направлениям, соответствующим ориентировке максимальных касательных напряжений современного поля в их плоскостях. Во-вторых, эти смещения происходят в направлениях, которые не считаются с направлениями предыдущих тектонических смещений, т.е происходят по сместителям, имеющим высокий коэффициент трения.
Это возможно при высоком запасе энергии в массиве и является, по мнению автора, характерной чертой участков 4-й степени геодинамической опасности.
На Североуральском бокситовом месторождении (участок 3 степени геодинамической опасности) напряженное состояние характеризуется субгоризонтальным направлением оси максимального сжатия с соотношением отах/ат1П = 2,5. В этом поле напряжений нарушение 25-25 работает как правый сдвиг, нарушения 31-31 и 32-32 работают как правые взбросо-сдвиги,
0
б
- 5; - 6; - 7;
- 8; - 9; - 10
Рис. 3 (а, б) - Тектонофизическая модель горно-тектонических ударов на СУБРе: 1 - тектонические нарушения; 2 - граница блоков; 3 - направление смещения крыла нарушения при горно-тектоническом ударе; 4 - приподнявшееся крыло нарушения при горно-тектоническом ударе; 5 - направление максимального сжатия в регионе; 6 - направление современных касательных
напряжений на смесителях нарушений; 7 - кинематический тип нарушения; 8 - гипоцентр горно-тектонического удара; 9 - н мера нарушений; 10 - отработанное рудное тело
Восточный сброс испытывает тенденцию к взбросовому смещению крыльев При горно-тектоническом ударе 5.10.84 г. произошла подвижка по нарушению 31-31, при которой висячее крыло нарушения переместилось на горизонте -320 м на 5 см вверх и 3-4 см на восток, т.е. произошла правосдвиговая подвижка со взбросо-вой составляющей вдоль ранее существовавших штрихов и борозд скольжения (рис. 3, а). По Восточному сбросу регистрировались взбросовые перемещения (рис. 3, б). По нарушению 25-25 при горно-тектоническом ударе произошла правосдвиговая подвижка подвижка на 7 см также в направлении ранее существовавших штрихов и борозд скольжения.
Для Североуральского и Южноуральского бокситовых месторождений устанавливается унаследованное поле напряжений. В результате этого тектоническая структура месторождения уже подготовлена к деформированию массива путем смещений блоков пород по существующим нарушениям. Их массовое «оживление» начинается, когда возникают разуплотненные отработанные пространства.
Вторым условием, способствующим возникновению подвижек по крупным тектоническим нарушениям на СУБРе является то, некоторые из них, являясь границами блоков, выходят на земную поверхность и поглощают поверхностные воды. На это обстоятельство обратил внимание заведующий лабораторией ЦГЛ в Североуральске И.И.Бакиновский. На Южноуральском бокситовом месторождении на протяжении многих лет отмечались процессы карстообразования прямо в русле реки Ай в местах ее пересечения с геодинамически активными зонами. Провалы на реке обнаруживали себя постепенным увеличением притока воды в горные выработки. Разрастаясь, провалы в русле реки принимали громадные размеры с глубиной до 21 метра. Очередной провал образовался на реке Ай весной 1990 г., а спустя некоторое время произошел крупнейший горно-тектонический удар, в результате которого шахта Кургазакская была закрыта. Одной из причин этого горно-тектонического удара могло стать заполнение речной водой крупных тектонических нарушений рудника, что привело к их «распиранию», снижению трения между крыльями и последующему толчкообразному смещению.
Таким образом, на различных угольных и рудных месторождениях, находящихся в районах с высоким уровнем тектониче-
ских напряжений (участки 3-й и 4-й степеней опасности), прослеживается закономерность, согласно которой подвижки блоков пород по нарушениям при горно-тектонических ударах происходят в направлении действия касательных напряжений современного поля напряжений, в соответствии с предлагаемой тектонофизической моделью.
В последнее десятилетие для Кузбасса (участок 2-й степени геодинамической опасности) отмечено повышение сейсмической активности [15]. Повышение уровня сейсмической активности может быть также свзано с процессом затопления шахт. Механизм таких землетрясений схож с механизмом горнотектонических ударов, описанным выше и кратко заключается в следующем [16, 17]. На участках земной коры 2-й степени гео-динамической опасности горизонтальные напряжения являются максимальными, но недостаточными для того, чтобы вызвать внезапные смещения по ослабленным поверхностям (границам блоков). Ведение горных работ приводит к уменьшению механической прочности массива на отрабатываемых участках, а возникающие зоны разгрузки снижают нормальное сжатие крыльев крупных тектонических нарушений. В результате подъема уровня воды в шахте происходит ее проникновение в трещины различных порядков, в том числе и между крыльями крупных тектонических нарушений. Из-за повышения давления воды р нормальное сжатие крыльев нарушения постепенно уменьшается, что приводит к уменьшению механического контакта между ними. Уменьшение механического контакта крыльев вызывает, в свою очередь, изменение траекторий главных нормальных напряжений и сдвигающие силы вдоль плоскости сместителя увеличиваются. В какой-то момент растущие касательные напряжения при уменьшающемся нормальном сжатии крыльев и вызывают внезапную подвижку по нарушению.
В табл. 2 приведены данные о сроках затопления шахт Кузбасса и случаях мелкофокусных землетрясений. Как можно видеть из приведенных в таблице данных, наблюдается прямая взаимосвязь между началом процесса затопления шахт и произошедшими мелкофокусными землетрясениями.
Таблица 2
Взаимосвязь сейсмичности Кузбасса с процессом затопления шахт
Район Кузбасса Дата земле- трясения Интен- сивность землетря- сения Затапливаемые шахты района Начало затоп- ления шахт Интервал между началом затопления и землетрясением, год
Анжерский 25.10.97 М=2,3 Шахта Анжерская 1995 2
Анжерский 30.10.97 М=2,3 Шахта Анжерская 1995 2
Прокопьев- ско- Киселевский 1995 5-6 баллов, М=4,6 Шахты района 1994 1
Прокопьев- ско- Киселевский 1998 Шахты района 1994 1-4
Эта взаимосвязь подчеркивается также тем обстоятельством, что общий фон сейсмичности Кузбасса возрос именно в 1990-е годы, когда начался процесс массового затопления шахт.
Также косвенная взаимосвязь между процессом затопления шахт и повышением сейсмичности района прослеживается и для другого горно-промышленного района, расположенного на участке 3-й степени геодинамической опасности - Кизеловско-го угольного бассейна. Данные о хронологии сейсмических событий Кизеловского района можно получить, например из работы [18]. Затопление шахт в этом районе началось в конце 1980-х годов. С этого же времени после продолжительной (30 лет) сейсмической паузы отмечен всплеск сейсмической активности данного региона.
Таким образом, в рамках тектонофизической модели может быть объяснена активизация блоков земной коры при масштабном ведении горных работ.
------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Батугин А.С., Воинов К.А. Сравнительная оценка тектонофизического и сейсмического методов определения ориентировки главных нормальных напряжений // Совершенствование технологии сооружения горных выработок. Сб. науч. тр. Кемерово.: КузПИ. - 1986. - С. 102-106.
2. Гущенко О.И. Метод кинематического анализа структур разрушения при реконструкции полей тектонических напряжений // Поля напряжений и деформаций в литосфере.- М., 1979. - С. 7-25.
3. Прогноз и предотвращение горных ударов. М.: Издательство АГН, 1997.376 с.
4. Курленя М.В., Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Аршавский В.В. Геомеханические процессы взаимодействия породных и закладочных массивов при отработке пластовых рудных залежей. - Новосибирск.: Наука, 1997. - 175 с.
5. Дементьев А.Д., Назаров Л.А., Назарова Л.А. Деформирование и разрушение природных объектов. - Новосибирск, 2001. - 215 с.
6. Смирнов В.А. Физические процессы в очагах горных ударов и региональный прогноз их по геофизическим полям: Автореф. дисс. д-ра техн. наук. - С.-Петербург: ВНИМИ, 1991. - 51 с.
7. Усманова М. О сейсмических моделях сильных землетрясений западного Тянь-Шаня/Современная геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии. -Алмааты. 2004. С. 78-83.
8. Садыков А., Садыкова А., Ревенко О., Жунусова А. Сейсмичность территории Казахстана/ Современная геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии. - Алмааты. 2004. С. 107-114.
9. Селивоник В.Г., Воинов К.А., Козлов С.В. Результаты сейсмологических и геомеханических исследований природного поля напряжений на шахтах СУБРа / Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. - Новосибирск: Изд-во: Институт горного дела СО РАН, 2001. - С. 364-367.
10. Ермаков Н.И. Инициирование тектонических деформаций как причина разрушения подработанной толщи пород // ГИАБ, 2005, № 8. С. 150-156.
11. Батугин А.С. К механизму проявления подвижек по сместителям нарушений при горно-тектонических ударах // Горное давление, горные удары и сдвижение массива. Сб. науч. тр. Часть I. СПб.: ВНИМИ, 1994. - с. 157-160.
12. Сырников Н.М., Тряпицын В.М. О механизме техногенного землетрясения в Хибинах. // Доклады академии наук СССР. - 1990. - Т. 314. - № 4. - С. 830-833.
13. Козырев А.А., Савченко С.Н., Панин В.И., Мальцев В.А. Особенности прогноза и профилактики мощных динамических явлений в природно-технических системах / Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. - Новосибирск: Изд-во: Институт горного дела СО РАН, 2001. - С. 327-334.
14. Ловчиков А.В. Механизм возникновения разрушительных горнотектонических ударов в рудниках // Труды международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2004. С. 378-385.
15. Лазаревич Т.И., Поляков А.Н. Результаты исследования техногенной сейсмичности Кузбасса // ГИАБ МГГУ Москва, 2002, №9, с. 151-154.
16. Батугин А.С., Климанова В.Г. Оценка влияния глубины затопления ликвидируемых шахт на повышение геодинамической опасности. Деформирование и разрушения материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках. Симферополь, 2000, с. 26-27.
17. Батугин А.С. К механизму землетрясения 25.04.97 и 27.04.97 на севере Кузбасса// Горный информационно-аналитический бюллетень, 2006. № 2, с. 185189.
18. Ломакин В.С., Холевин Н.И. Горно-тектонические удары в реальной сейсмичности Урала // Геодинамическая безопасность при освоении недр и земной поверхности. - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2002. - с. 79-89. ШИН
A.S. Batugin
TEKTONOPHYSICS MODEL OF TECTONIC ROCKBURST WITH MOTIONS OF WINGS OF LARGE FAULTS
The author ’ s research works in 1983-86 on mines Ural and in 1992-93 on mines Bejpjao , have established the conformity of directions of motions at tectonic rockbursts on small faults to a technogenic field of the pressure connected with conducting of mining , and on large tectonic faults - to a modern tectonic field ofpressure . For an explanation of these facts the author uses a parity between the sizes of the area ofpreparation of rockburst R and the sizes of its hypocentre r.
Key words: tectonic rockburst, tectonic faults, the geodynamic active block, tectonic pressure, the sizes of the hypocenter.
— Коротко об авторе ------------------------
Баmyгuн А.С. - кандидат технических наук, доцент, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
