CC BY
38
---------------------------------------- © А.С. Батугин, 2007
УДК 622.831:622.502 551.14 550343.4 А.С. Батугин
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ
Предложена классификация и выделены участки земной коры 4-х степеней геодинамической опасности для территории северной Евразии. На основе анализа фактического материала по проявлению геодинамической опасности отмечена закономерность ее нарастания от участков 1-й к участкам 4-й степени.
Под геодинамической опасностью понимают состояние техносферы и окружающей среды, при котором возможно возникновение неблагоприятных геодинамических явлений, способных поражать людей, наносить материальный ущерб, разрушительно действовать на окружающую человека среду [1 и др.].
В последней четверти 20-го века произошло качественное изменение форм и масштабов проявления геодинамической опасности. Возникли целые горно-промышленные районы с техногенной сейсмичностью, отмечаются аварии на различных инженерных объектах, находящихся в геодинамически активных зонах, происходит комплексное воздействие на окружающую и социальную среду и др. В 21-м веке прогнозируется еще более масштабное освоение недр и земной поверхности, в связи с чем актуальным является разработка классификации участков земной коры по степени геодинамической опасности и выявление закономерностей ее пространственного изменения. Использо-
ание для этих целей существующих классификаций опасности, например сейсмической, оказывается недостаточным, поскольку они построены без учета техногенного воздействия на недра и земную поверхность.
Одним из основных факторов, определяющих геодинамическую опасность, является напряженное состояние горного массива [2 и др.]. Интегральным отражением напряженного состояния земной коры является сейсмичность. Сейсмические события по глубинам гипоцентров относят к мелкофокусным (до 60 км); промежуточным (60-300 км) и глубокофокусным (более 300 км). Глубокофокусные и промежуточные землетрясения отмечены только на границах лито-сферных плит или микроплит, тогда как во внутренних частях литосфер-ных плит происходят землетрясения мелкофокусные, очаг которых расположен в пределах земной коры. Как известно, очаги коровых землетрясений сосредоточены в земной коре в пределах определенного приповерхностного слоя, который называют также сейсмоактивным слоем земной коры. Мощность этого слоя в разных районах изменяется от нуля до 100 % от мощности земной коры.
При описании процессов в очагах коровых землетрясений в гипотезах «упругой отдачи», «спускового механизма» и др. используются в том или ином виде элементы теории предель-
Рис. 1. Карта-схема участков земной коры различной степени геодинамической опасности: 1, 2, 3, 4 - соответственно участки 1-4-й степеней геодинамической опасности
но напряженного состояния массива, т.е. сейсмоактивный слой земной коры можно рассматривать как область горного массива, в которой существуют участки с предельно напряженным состоянием.
Наиболее четко гипотеза о существовании в земной коре слоя с предельно напряженным состоянием пород изложена в работах И. М. Петухова. Слой предельно напряженных пород возникает во внутренних частях литосферных плит за счет процессов на их границах и его мощность изменяется в зависимости от мощности земной коры и характера взаимодействия блоков [2].
Имеются оценки размеров области геомеханического воздействия инженерных сооружений на массив. В работах по строительной механике показано, что она может достигать глубин, соответствующих четырехкратной высоте зданий (М. С. Хлыстунов). Из практики изучения техногенной сейсмичности известно, что ведение горных работ
оказывает воздействие на расстоянии до первых километров; расчеты показывают, что сооружение водохранилищ объемом воды порядка 1010 м3 вызывает изменение напряжений вплоть до поверхности Мохоро-вичича (Ф. Стейнхаузер, М. Капуто).
Если принять, что в земной коре существует слой предельно напряженных пород, то дополнительная механическая нагрузка на него, обусловленная инженерной деятельностью, вызовет немедленную ответную реакцию, связанную с перераспределением напряжений и развитием деформаций, т.е. повысит геодинамиче-скую опасность данного района. Действительно, как было показано С.Г. Авершиным, и позднее в других работах, запасы потенциальной энергии П в области предельно напряженного состояния пород прямо пропорциональны ее размерам:
П = с 2тЬ1/Б,
где Е - модуль упругости, с т - прочность массива, Ь и 1 - размеры области предельного состояния горных пород.
Таблица 1
Классификация участков земной коры по степени геодинамической опасности
Степень геодинамической опасности Мощность слоя предельно напряженных пород земной коры, Нэ/Нк, % Примеры
1 0 Европейская равнина, Западно-Сибирская низменность
2 до 25 Кузбасс, Донбасс, Воркута
3 до 50 Урал, Юг Западной Сибири, Дальний Восток Апатиты,
4 >50 Юг Сибири, Кавказ, районы Западной Европы, Средней Азии и Китая, Памир
Таким образом, мощность сейсмоактивного слоя характеризует уровень насыщения массива механической энергией: чем мощнее этот слой, тем в более значительных объемах (участках) массива достигается предельно напряженное состояние, тем опаснее для инженерных сооружений наложение на эти участки собственных геомеханических нагрузок. Исходя из этого, в качестве основного классификационного признака в классификации участков земной коры по степени геодинамической опасности можно принять отношение мощности сейсмоактивного слоя пород к мощности земной коры.
Оценка мощности сейсмоактивного слоя земной коры может быть осуществлена расчетным путем и на основе данных о глубинах гипоцентров коро-вых землетрясений. Для оценки мощности сейсмоактивного слоя по фактическим данным были использованы опубликованные данные о максимальных глубинах очагов землетрясений.
Для учета фундаментального свойства дискретности массива данные о максимальных глубинах коровых землетрясений были совмещены с картой мегаблоков Евразии, выделенных методом геодинамического районирования. Для каждого блока принималась мощность сейсмоактивного слоя в соответствии с максимальным зна-
чением глубины гипоцентра на его площади. Блоки с одинаковыми значениями относительной мощности сейсмоактивного слоя (0 %; 0-25 %; 25-50 %; >50 %) соответственно объединялись в участки 1-4-й степеней геодинамической опасности, рис. 1, табл. 1 [3]
Анализ пространственного изменения геодинамической опасности показывает ее закономерное нарастание от участка 1-й к участку 4-й степени опасности (табл. 2).
Исследования на объектах, расположенных на участках 1-4-й степеней геодинамической опасности, позволили также наметить закономерность нарастания опасности техногенных землетрясений в горнодобывающих районах.
Исследованиями автора в 1983-86 годах на шахтах СУБРа, 1992-93 годах на шахтах Бейпяо было установлено, что подвижки по крупным тектоническим нарушениям при горнотектонических ударах происходили в направлении современных касательных напряжений на их сместителях. Размеры очагов горно-тектонических ударов составляли на СУБРе более чем 200 м по простиранию и несколько горизонтов по восстанию; на ЮУБРе, шахта Кургазакская (1990) -не менее 300 м; на шахте Бейпяо в КНР - первые сотни метров. Исследования Смирнова В.А. и др. пока-
Таблица 2
Характеристика нарастания геодинамической опасности для территорий северной Евразии
Характеристика геодинамической опасности Степень геодинамической опасности участка земной коры
1 2 3 4
Минимальная глубина проявления горных ударов нет 200-700 150-200 150
Проявление горно-тектонических ударов, баллы нет нет до 6-7 до 8
Амплитуда смещений крыльев крупных нарушений при горно-тектонических ударах, см 0 0 до 10 до 17
Техногенная сейсмичность на водохранилищах, % от общего количества 0 10 10 80
Техногенная сейсмичность при разработке месторождений нефти и газа, % от общего количества 0 10 25 65
Наличие удароопасных рудных месторождений, % от указанных в [4]. 0 10 40 50
Наличие удароопасных угольных месторождений, % от указанных в [3]. 0 4 22 76
«Оживление» нарушений при ведении горных работ - - да да
Горно-промышленные районы с техногенной сейсмичностью 0 0 да да
Интенсивность максимального расчетного землетрясения, баллы 5 6 6-7 >10
Количество аварий на 1000 км магистральных трубопроводах (неполные данные) 0,21-0,22 0,43
Вероятность попадания объекта длиной 500 м в геодинамически активнуюзону IV ранга 0,03 0,04 0,053 0,158
Математическое ожидание числа пересечений линейного объекта длиной500 км двух систем геодинамически активных зон І-ІІ рангов. 1,0 2,13 4,24 15,8
Интегральная гистограмма распределения %
объектов с зарегистрированными проявления- 50 -
ми техногенной сейсмичности по участкам 30
различной степени геодинамической опасности 10
1
зывают, что область подготовки горного удара на порядок превышает размеры его очага. Если принять по фактическим данным размеры очага в первые сотни метров, то размеры области Ь, из которой подводилась энергия для возникновения подвижки, составят уже первые километры, что соизмеримо с блоками земной коры IV ранга, участвующих в самостоятельных тектонических движениях.
По мнению автора, в подвижках крыльев крупных нарушений при горно-тектонических ударах реализуется процесс тектонических движений блоков земной коры и поэтому на-
правление подвижки по сместителю увязывается с направлением тектонических сил в регионе, несмотря на влияние поля напряжений, измененного от ведения горных работ. Эти наблюдения и представления о механизме горно-тектонического ударов изложены в работах [5, 6 и др.].
Ниже рассмотрены особенности проявления подвижек крыльев крупных тектонических нарушений при горно-тектонических ударах на участках земной коры 4, 3 и 2-й степеней геодинамической опасности.
На угольном месторождении Бей-пяо, расположенном на участке 4-й
Рис. 2. Схема направлений смешения крыльев нарушений Р9 и Р10 при горнотектонических ударах на месторождении Бейпяо в КНР: 1 - кинематический тип нарушения; 2- направление смещения активного крыла при горно-тектонических ударах; 3 -направление действия современных касательных напряжений на сместителе.
степени геодинамической опасности, в результате геодинамического районирования установлено, что максимальное сжатие действует в субгори-зонтальной плоскости по азимуту 255О (рис. 2). Вертикальной осью является ось промежуточных напряжений. В современном поле напряжений крупные нарушения Р8 и Р9 северовосточной ориентировки испытывают тенденцию к правому сдвиганию, а нарушение Р10 северо-запад-ной ориентировки - к левому. По этим нарушениям, уходящим за границы шахтного поля, неоднократно отмечались подвижки их крыльев при горно-тектонических ударах. Результаты обследования сме-стителей нарушений Р8, Р9 и Р10 показали, что они испытывали реверсивные подвижки при горно-тектонических ударах, не считавшиеся с их прежней тектонической кинематикой, и направление подвижек подчинялось совре-
менному полю напряжений. Нарушение Р10 работало как левый сдвиг, на-рушениия Р8 и Р9 - как правый сдвиг. У всех нарушений во время горнотектонического удара двигалось только одно из крыльев - то, породы которого могли смещаться в выработанное пространство.
Таким образом, на этом месторождении смещения крыльев крупных различно ориентированных нарушений происходят вдоль сместителей по направлениям, соответствующим ориентировке максимальных касательных напряжений современного поля в их плоскостях. Во-вторых, эти подвижки происходят, не считаясь с направлениями предыдущих тектонических смещений, т.е. реализуются даже при высоких коэффициентах трения по сместителю. Это возможно при высоком запасе энергии в массиве и является, по мнению автора, характерной
чертой участков 4-й степени геодина-мической опасности.
На Североуральском бокситовом месторождении (участок 3-й степени по геодинамической опасности) напряженное состояние характеризуется субгоризонтальным направлением оси максимального сжатия с соотношением сгтах/сттт=2,5. В этом поле напряжений нарушение 25-25 работает как правый сдвиг, нарушения 3131 и 32-32 работают как правые взбросо-сдвиги, Восточный сброс испытывает тенденцию к взбросовому смешению крыльев (рис. 3).
При горно-тектоническом ударе 5.10.84 г. по этим нарушениям произошли подвижки: по нарушению 3131 висячее крыло нарушения переместилось на горизонте -320 м на 5 см вверх и 3-4 см на восток, т.е. произошла правосдвиговая подвижка со
Рис. 3. Схема направлений смешения крыгльев нарушений при горно-тектоническом ударе 1984 г. на шахте 15 СУБРа: 1, 2 - тектонические нарушения и элементы их залегания; 3 - границы геодинамически активных блоков; 4 -направление смещения крыльев нарушений при горно-тектоническом ударе; 5 - относительно приподнятое крыло в результате горно-тектонического удара; 6 - направление максимального сжатия в регионе
взбросовой составляюшей вдоль ранее сушествовав-ших штрихов и борозд скольжения; по Восточному сбросу регистрировались взбросовые переме-шения; по нарушению 2525 произошла правосдвиговая подвижка подвижка на 7 см также в направлении ранее сушествовавших штрихов и борозд скольжения.
Для Североуральского бокситового месторождения по результатам исследований устанавливается унаследованное поле напряжений, т.е. тектоническая структура месторождения уже подготовлена к деформированию массива путем смешений блоков пород по сушествуюшим нарушениям. В том случае, когда возникают разуплотненные отработанные пространства и начинается массовое «оживление» нарушений.
Вторым условием, способствую-шим возникновению подвижек по крупным тектоническим нарушениям на СУБРе, является то, что некоторые из них, являясь границами геодинамически активных блоков, выходят на земную поверхность и поглошают поверхностные воды.
Таким образом, «оживлению» нарушений на рудниках Урала, находя-шихся на участке 3-й степени по гео-динамической опасности, способствуют дополнительные факторы: унаследо-
ванность поля напряжений и периодическое влияние давления воды в плоскостях тектонических нарушений.
• На участках 2-й степени геоди-намической опасности, таких, как северный Кузбасс или восточный Донбасс, горно-тектонические удары не были отмечены, но произошли землетрясения в период ликвидации шахт.
По мнению автора, повышение уровня техногенной сейсмичности в период ликвидации шахт является следствием их затопления и провоцирования тем самым подвижек по крупным тектоническим нарушениям. Механизм землетрясений при затоплении шахт имеет обшие черты с описанным выше механизмом горно-тектонических ударов, и с механизмом землетрясений при заполнении водохранилиш [7].
На участках земной коры 2-й степени геодинамической опасности горизонтальные напряжения являются максимальными, но недостаточными для того, чтобы вызвать толчкообразные смешения по сместителям крупных нарушений (границам блоков), даже если они расположены благоприятно к направлению действия главных напряжений. По окончании ведения горных работ массив пород, подвергшийся техногенному воздействию, представляет собой разуплотненную структуру, с системами тре-шин, по которым передается гидростатическое давление при подъеме воды в затапливаемой шахте. Из-за повышения давления воды р нормальное сжатие крыльев затапливаемых нарушений постепенно уменьшается, что приводит к уменьшению механического контакта между ними. Уменьшение механического контакта
крыльев вызывает, в свою очередь, изменение траекторий главных нормальных напряжений и сдвигаюшие силы вдоль плоскости сместителя значительно увеличиваются. В какой-то момент растушие касательные напряжения при уменьшающемся нормальном сжатии крыльев и вызывают внезапную подвижку по нарушению.
Например, шахта «Анжерская» отрабатывала пласты Десятый, Андреевский, Коксовый и на момент закрытия имела глубину более 700 м. Затопление шахты началось в 1995 г., скорость подъема воды составляла в среднем 10 м/мес. В апреле 1997 г., когда подъем воды в шахте превысил 200 м, произошли землетрясения с М=2,0 энергетического класса К=7,3.
Тектонофизический анализ основных крупных дизъюнктивов шахтного поля показывает, что все они, за исключением крутопадаюших запад-северо-западного простирания, расположены в плоскостях, близких к ттах, т.е. благоприятно для развития
по ним смешений и искривления осей главных напряжений вдоль плоскостей сместителей.
Рассчитано, что при искривлении осей главных напряжений вблизи сместителя превышение сдвигаюших сил над силой трения составит 12-18 МПа, что сопоставимо с прочностью нарушенного массива, т.е. напряжений, действуюших вдоль плоскостей сместителей нарушений шахты «Анжерская», вполне достаточно для толчкообразного деформирования массива, нарушенного ведением горных работ [8].
Таким образом, результаты исследований показывают, что при горнотектонических ударах на рудниках и шахтах смешение крыльев региональных дизъюнктивов происходит в направлении действия на их сместите-лях современных касательных напря-
Таблица 3
Условия, способствуюшие возникновению опасности горно-тектонических ударов на участках 2-й-4-й степеней геодинамической опасности
Условия
Степень геодинамической опасности
2-я 3-я 4-я
ПРИРОДНЫЕ
Наличие крупных дизъюнктивных нарушений Да Да Да
Унаследованность современного поля напряжений Да Да Не обязательно
Благоприятное расположение дизъюнктивов к осям напряжений Да Скорее да, чем нет Не обязательно
ТЕХНОГЕННЫЕ
Наличие больших выработанных пространств Да Да Да
Гидростатическое давление воды в плоскостях сместителей Да Не обязательно Не обязательно
жений тектонического поля напряжений соответствуюшего иерархического уровня. Кроме того, отмечается закономерность нарастания опасности горно-тектонических ударов, которая заключается в том, что чем вы-
1. Временные указания по выявлению и контролю зон риска возникновения аварий и чрезвычайных ситуаций при освоении недр и земной поверхности на основе результатов геодинамического районирования. С-Пб., ВНИМИ, 1997, 12 с.
2. Петухов И.М., Батугина И. М. Геодинамика недр. М.: Недра. 1996. - 218 с.
3. Батугин А.С. Классификация участков земной коры по степени геодинамической опасности /3-я международная конференция "Экология и развитие северо-запада " -СПб. 1996. - С. 263 - 267.
4. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, склонных к горным ударам. -Д.: ВНИМИ, 1989. - 57 с.
5. Батугин А.С., Воинов К.А. Сравнительная оценка тектонофизического и сейсмического методов определения ориентировки главных нормальных напряжений. Сб. науч. тр. Совершенствование техноло-
ше степень геодинамической опасности участка земной коры, тем меньше условий должно выполниться для реализации опасности горно-тектонических ударов с подвижками крыльев нарушений, табл. 3.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
гии сооружения горных выработок. Кемерово: КузПИ.1986. С.102-106.
6. Батугин А. С. К механизму горно-тектонических ударов. Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики (Доп. сборник). Международная конференция 1721 июня 1996 г. СПБ. ВНИМИ. С. 97-101.
7. 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.
8. Батугин А.С. К механизму землетрясения 25.04.97 и 27.04.97 на севере Кузбасса//ГИАБ 2006. № 2. С.185-189.
9. Батугин А.С. К оценке геодинамического риска //ГИАБ, 2006. № 9. С. 35-42.
— Коротко об авторах-----------------------------------------------------------
Батугин А.С. - кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.
Рецензент д-р техн. наук, проф. И.М. Петухов.
