Научная статья на тему 'Затопление ликвидируемых шахт как возможная причина техногенных землетрясений в горнопромышленных районах'

Затопление ликвидируемых шахт как возможная причина техногенных землетрясений в горнопромышленных районах Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
100
21
Поделиться

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Батугин А. С., Климанова В. Г.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Затопление ликвидируемых шахт как возможная причина техногенных землетрясений в горнопромышленных районах»

комплексное воздействие на окружающую среду, то необходимы с учетом их проявления разработка и обоснование мероприятий по защите также гидросферы и атмосферы. Некоторые из этих мероприятий, находящиеся в различной стадии проработки, указаны в таблице.

Выполненная систематизация инженерных мер защиты окружающей среды с учетом геодинамического состояния недр, хотя и недостаточно полная, показывает, что эти меры занимают свое определенное место в общей системе мер обеспечения экологической безопасности, область их

использования постоянно расширяется. Эти вопросы привлекают к себе все большее внимание со стороны научных и производственных организаций.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Геодинамика недр. Методические указания. - Л.: ВНИМИ. -1991.

2. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам (РД -06-329-99) / -М.: ГП НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000. -66 с.

3. Петухов И.М., Батугина ИМ. Геодинамика недр.2-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Недра коммюникейшенс ЛТД, 1999.- 256 с.

4. Прогноз и предотвращение горных ударов на рудниках. - М.: Издательство АГН, 1997. - 376 с.: ил.

5. Технологическая инструкция по отработке железорудных месторождений юга Западной Сибири в удароопасных условиях.- Новокузнецк, 2000. - 44 с.

6. Батугин А.С. К механизму горно-тектонических ударов / Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики. Международная конференция 17-21 июня 1996 г., ВНИМИ, Санкт-Петербург, Россия. Дополнительный сборник. СПб.: ВНИМИ, 1996. - С. 97-101.

7. Батугин А.С., Климанова В.Г. Оценка влияния глубины затопления ликвидируемых шахт на повышение геодинамической опасности/деформирование и разрушение материалов по дефектам и дина-

мические явления в горных выработках: Сб. Науч. Трудов X Международной научной школы. - Симферополь: Таврический нац. ун-т им. В.И. Вернадского, 2000. - С. 26-27.

8. Батугин А.С. Классификация участков земной коры по степени геодинамической опасности/Экология и развитие Северо-Запада России: Научные доклады 3-й Международной конференции 5-9 июля 1988 г. С.-Петербург: Ладога-Онега, 1988. - С. 263-268.

9. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. - М.: Изд-во МГГУ. 1996. - 441 с.

10. Фисун А.П., Яковлев Д.В., Земисев В.Н., Ягунов А.С. Геомеха-нические проблемы ликвидации шахт России. / Проблемы геодина-мической безопасности. 2-е Международное рабочее совещание. 2427 июня 1997.- СПб.: ВНИМИ, 1997. - С. 50-54.

11. Козырев А.А., Панин В.И., Мальцев В.А. и др. Изменение гео-динамического режима и проявление техногенной сейсмичности при ведении крупномасштабных горных работ на апатитовых рудниках в Хибинском массиве. / Проблемы геодинамической безопасности. 2-е Международное рабочее совещание. 24-27 июня 1997.- СПб.: ВНИ-МИ, 1997. - С. 66-71.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Батугин А.С. — Московский государственный горный университет.

© А.С. Батугин, В.Г. Климанова, 2002

УДК 622.8

А.С. Батугин, В.Г. Климанова

ЗАТОПЛЕНИЕ ЛИКВИДИРУЕМЫХ ШАХТ КАК ВОЗМОЖНАЯ ПРИЧИНА ТЕХНОГЕННЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ В ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ РАЙОНАХ

Проблема возбуждения техногенной сейсмичности неоднократно рассматривалась в научнотехнической литературе в связи с землетрясениями, возникающими вблизи крупных водохранилищ (табл. 1). Причины подобных явлений были проанализированы несколькими исследователями. В частности Вестергард и Ад-

кинс выдвинули гипотезу о том, что прогиб дна водоемов под действием веса воды и связанные с этим подвижки в подстилающем субстрате могут быть причиной тектонической активизации этих районов. Кардер первым высказал мысль о том, что нагрузка, возникшая при затоплении озера Мид в США, вызвала оживление ранее существовавших в этом районе разрывов. Но один из основных механизмов возбуждения техногенных землетрясений Хубберг и Руби связывают с поровым давлением жидкости в образовании надвигов.

По нашему мнению, данный механизм может реализовываться и при затоплении ликвидируемых шахт, тем более что глубина их затопления сопоставима, а зачастую и пре-

вышает уртвет поднятия воды на водш^нили^х, под Например, сотрудниками ВНИМИ и оцениваются как tg10o

влиянием которых происходили землетрясения (табл. 1).

Таблица 1

ДАННЫЕ О ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ, ВОЗНИКШИХ ПОД ВЛИЯНИЕМ КРУПНЫХ ВОДОХРАНИЛИЩ (ПО Н.И. КАЛИНИНУ, И.П. КУЗИНУ, 1982)

Плотина (страна) Высота, м Объем водохранилища, км3 Год наполнения Год наиболее сильного землетрясения Магнитуда (интенсивность)

Марафон (Греция) 63 0,6 1930 1938 5

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Гувер (США) 221 37,5 1936 1939 5

Кларк-Хилл (США) 67 2,5 1952 1974 4,3

Синфыньцзян (КНР) 105 10,5 1959 1962 6,1

Кариба (Родезия) 128,5 160,3 1959 1963 5,8

Грандваль (Франция) 88 0,3 1959 1963 -

Канеллес (Испания) 150 0,7 1960 1962 -

Куробэ (Япония) 186 0,2 1960 1961 4,9

Вайонт (Италия) 261 0,1 1961 1963 -

Монтеньяр (Франция) 155 0,2 1962 1963 4,9

Койна (Индия) 103 2,7 1964 1967 6,5

Кремаста (Греция) 165 4,7 1965 1966 6,3

Бенмор (Новая Зеландия) 118 2,1 1965 1966 5

Баджина-Баста (Югосл.) 89 0,3 1966 1967 5 1 ,5 4,

Оровил (США) 236 4,3 1968 1975 5,9

Нурекская (СССР) 300 10,4 1969 1972 4,5

Продолжение таблицы Тал-бинго (Австралия) 162 0,9 1971 1972 3,5

Дожкасси (США) 133 1,4 1972 1975 3,2

Токтогульская (СССР) 215 19,5 1972 1979 4,7

Кебан (Турция) 207 31 1973 1974 3,5

Чиркейская (СССР) 233 2,7 1974 1974 4,9

Ингури (СССР) 272 1,1 1978 1979 4,3

По окончании ведения горных работ массив пород, подвергшийся техногенному воздействию, представляет собой разуплотненную структуру с системой трещин, по которой давление передается практически без потери напора на фильтрацию. Кроме того, в таком массиве имеются крупные протяженные нарушения, сместители которых были вскрыты горными работами. К рассматриваемой модели среды может быть применена методика оценки активности тектонических нарушений, изложенная в работе [2].

Согласно [2], к активным нарушениям относят такие, для которых выполняется условие:

Т /

> 1,

(1)

/ * крит

где тп - величина действующих в плоскости сместителя

касательных напряжении; Тк

расчетная величина ка-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

икрит

сательных напряжений, достаточная для смещения крыльев нарушения по плоскому сместителю.

Величина Т

крит

может быть оценена по формуле:

Ткрит ап * к ,

(2)

где к - коэффициент сухого трения. Значения коэффициента трения к для отполированных сместителей изучались,

- tg20o.

Отношение п/ не зависит от абсолютных велите Ткрит

чин напряжений, а только от их соотношений, выражаемых коэффициентами ла , А , В, Т ,

а1 - а3

■ коэффициент Лоде-Надаи;

В = ла • (А -1)+А +1

= 2А :

т =

4п

1 • ш^1 - 4п1 • (т - П3 )• (ла +1) + П3 • Ш'2 (ла +1)

(О.И. Гущенко)

где П123 и - соответственно направляющие косинусы

и синусы нормали к плоскости сместителя.

Исходя из этого в соответствии с [2] нормальное напряжение на сместителе определяется как:

( 2 ^

.2 , п 2 , п3

П-| + В • П-| 2 +----------------------------

1 12 А

Отсюда получим, что:

(А -!)• smа • cosа

=(ТТ“---------

• 2 2 I

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

sin а + cos а•

(3)

3

т

п

Покажем, что при затоплении шахты и передачи гидравлического напора на плоскость сместителя, величина оп в (3) не изменится. Действительно, для сместителя, образующего с осью о-} угол а :

_ о1 + оз , о1 - о3

- + -2 2 О — оз

• cos 2а

(5)

Т = ^^3. • sin2а 2

Однако внешним напряжениям будет противодействовать поровое давление р . Следовательно, вызывать деформацию будут не внешние напряжения а1 и а3 , а только разности (а1 - р) и (а3 - р) [3].

Тогда нормальное и касательное напряжения можно выразить в виде:

/

ап = ап - р = ^ (6)

(7)

Тп = Т =Т .

Таким образом, деформация вызывается действием компонент напряжений а и Т , причем величина нормального напряжения уменьшается на величину р = 7м>Н™ , а касательное остается неизменным.

С учетом вышесказанного выражение (3) принимает вид:

С „2 ^

- 7™Н™ , (8)

п2 + В • п2 + —

1 2 А

V /

где 7™ - удельный вес воды, кгс/м3; Н ™ - высота подъема воды при затоплении, м.

В качестве примера, произведем оценку активности тектонических нарушений поля шахты "Шушталепская'', ликвидируемой "мокрым" способом. Шахта расположена на юге Кузбасса, на участке земной коры 3-й степени геодина-мической опасности [4], для которого характерны землетрясения класса К > 7 , а также горные и горно-тектонические удары. Наиболее крупные дизъюнктивные нарушения в пределах влияния горных работ шахты "Шушталепская" -взбросы Е, 25, 48, 12. Напряженное состояние юга Кузбасса характеризуется направлением оси максимального сжатия а1 в субгоризонтальной плоскости по азимуту 1650. Вертикальной осью является ось а 2 . Значения критерия активно-

сти нарушений в этом поле напряжений представлена в Таблица 2

ЗНАЧЕНИЕ КРИТЕРИЯ АКТИВНОСТИ НАРУШЕНИЙ Т

Название Значение і

нарушения /ио = 1 ио = 0 ио = -1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Взброс Е 1,58 1,77 2,02

Взброс 25 1,56 1,33 0,23

Взброс 12 1,57 1,21 1,3

Взброс 48 0,469 0,57 0,69

табл. 2.

а 2 7 • Н

Принимая, что а1 = —— =------ для этих условий с

ВВ

учетом влияния давления воды на плоскости сместителей получим:

_! = 1 - к 7™ •Н™ •В . (9)

Т * Т

/• н • т •

А -1 А

где і - значение критерия активности нарушения с учетом влияния давления воды; у - объемный вес пород, кгс/м3;

Н - расстояние от поверхности до нижнего горизонта затопления, м.

Л *

Значения і представлены в табл. 3.

Таким образом, расчетные данные, приведенные в таб-ли. 2 и 3, наглядно демонстрируют тенденцию к увеличению значения критерия активности тектонических нарушений, в случае влияния давления воды на массив пород, даже при относительно небольших глубинах затопления.

Полученные результаты представлены в виде графика (рисунок).

На основании анализа графика можно сделать вывод о том, что при ликвидации шахты "Шушталепская" затоплением до проектного уровня для тектонических нарушений, находящиеся в зоне влияния горных работ, существенно поЛ *

вышаются значения критерия і . В частности для взбросов

Л *

Е и 25 величина і превышает значение 2,5. По аналогии с другими рудниками, где известны случаи горнотектонических ударов, можно отнести данные нарушения к опасным [4].

Таблица 3

А *

ЗНАЧЕНИЯ КРИТЕРИЯ АКТИВНОСТИ НАРУШЕНИЙ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ ВОДЫ Т

Название нарушения Высота поднятия воды при затоплении, м*

до гор. +110 (50 м) до гор. +160 (100 м) до гор. +225 (165 м)

ио ио ио

1 0 -1 1 0 -1 1 0 -1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Взброс Е 1,8 1,98 2,2 2,09 2,24 2,42 2,64 2,71 2,77

Взброс 25 1,78 1,5 0,25 2,09 1,73 0,28 2,7 2,15 0,33

Взброс 12 1,7 1,3 1,36 1,9 1,4 1,44 2,3 1,59 1,55

Взброс 48 0,5 0,6 0,73 0,58 0,67 0,76 0,68 0,74 0,83

*Высота поднятия воды при затоплении шахты принята в соответствии с "Проектом ликвидации шахты "Шушталепская"

& *

График зависимости критерия Т от уровня подъема воды при затоплении

процесс ликвидации шахт внес свой вклад в повышение сейсмической активности Кузбасса в последние годы. В связи с этим необходима разработка и обоснование, как методов оценки геодинамической опасности при ликвидации

шахт, так и инженерных мероприятий по ее снижению. региона после затопления шахт может повышаться за счет

активизации тектонических нарушений. Возможно, именно

------------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

£ 1 2,4? 2 7 [ЯК

^I 2,02 ~ 1 — —1 Эя 2 Ф ,7 Є и І.57 ‘•'і , 5 і-—-1■*" К- 2,0 ^«НЕДЕ* ІЯ ГО РІ

» - " 1,9

й 5 ,,5 Т 1,56 1

1 &і Щ ^ £ 0 5 ,Н0,69- - %,73 0,76

я 0,5 & А

0 50 100 150 200 Уровень подъема воды, м

Таким образом, видно, что геодинамическая опасность

1. Батугин А.С. Об оценке активного влияния перемещений на условия ведения горных работ // Горное давление, горные удары и сдвижение массива: Сб. научных трудов - 4.1 / ВНИМИ. - СПб., 1994. - с.143 - 149.

2. Батугин А.С. К механизму проявления подвижек по сместите-

лям нарушений при горно-тектонических ударах // Г орное давление,

горные удары и сдвижение массива: Сб. научных трудов - 4.1 /

ВНИМИ. СПб.,1994 - с. 157 - 160.

3. Гупта Х., Растоги Б. Плотины и землетрясения. - М.: Мир, 1979. - с. 195 - 199.

4. Батугин А.С. Классификация участков земной коры по степени геодинамической опасности // 3-я международная конференция "Экология и развитие северо-запада Кузбасса" - СПб. 1996. - с. 263 -267.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Батугин А.С. — Московский государственный горный университет. Климанова В.Г. — Московский государственный горный университет.