Експериментальні дослідження масштабного техногенного впливу гірничих розробок на ділянку літосфери

Панжін Андрій Олексійович, науковий співробітник Інституту гірничої справи Уральського відділення РАН, Єкатеринбург

У даній статті узагальнюється досвід дослідження масштабного техногенного впливу гірничих розробок на верхню частину земної кори. Розглядаються основні фактори техногенного впливу і ступінь їх впливу на масив гірських порід. Розглянуто геомеханічні модель ділянки літосфери, схильної до техногенного впливу і вироблені укрупнені розрахунки виникають деформацій у масиві гірських порід. Для перевірки модельних розрахунків були проведені експериментальні роботи з визначення величин техногенних деформацій. Виміри проводилися в зоні техногенного впливу гірничих робіт Кіембаевского ГЗК. При проведенні геодезичних вимірювань з допомогою GPS-обладнання були отримані фактичні величини техногенних деформацій, які були зіставлені з величинами деформацій, отриманими в результаті моделювання на геомеханічних моделях.

Масштабна розробка родовищ корисних копалин пов'язана з потужним техногенним впливом на земну кору. Тривалі терміни експлуатації родовищ, великі обсяги переміщуваних порід, концентрація видобутку на обмежених територіях, все це сприяє порушенню первісного напружено-деформованого стану земної кори на великих територіях. В результаті такої дії поряд з природними геомеханічні процесами, такими як тектонічні зрушення за структурними блокам, природні землетрусу виникають так звані наведені геомеханічні процеси, викликані техногенною діяльністю людини. Такі процеси за силою їх прояви можна порівняти з природними, а їх небезпека ускладнюється тим, що вони відбуваються в областях концентрації економічної діяльності людини. Кожна з форм прояву наведених геомеханічних процесів здатна зробити серйозні порушення житлових і промислових об'єктів, у тому числі екологічно небезпечних, таких як атомні та теплові електростанції, хімічні підприємства. Актуальність досліджень викликана тим, що тільки в районі гірничопромислового Уралу існує на менше семи районів потенційно небезпечних щодо прояву однієї з форм наведених геомеханічних процесів внаслідок досягнутих масштабів виробництва [1].

Як фактори техногенного впливу людини на земну кору виступають або переміщення мас гірських порід - виїмка з кар'єрів і підземних розробок та складування розкривних порід і відходів збагачення у відвали, або порушення гідрогеологічного режиму у зв'язку з відкачуванням підземних вод. Джерелом формування наведених геомеханічних процесів є порушення початкового рівноваги в напруженому стані верхньої частини земної кори в результаті видобутку корисних копалин [2]. Вторинне поле напружень формується за рахунок утворення виїмок і порожнин у гірському масиві і за рахунок ізостазіческого порушення рівноваги внаслідок переміщення великих об'ємів гірських порід, особливо при відкритих розробках. При видобутку твердих корисних копалин супутніми факторами виступають відкачування підземних вод, освіта депрессионных воронок. При видобутку нафти і газу, масових відкачування підземних вод ці чинники можуть виявитися провідними.

При зовнішньої складності явищ, що відбуваються в районі видобутку корисних копалин, геомеханічні модель деформування може бути представлена досить простими побудовами. Основним елементом моделі є зовнішнє відображення ділянки земної кори. В залежності від існуючих уявлень про будову верхньої частини земної кори геомеханічні модель її ділянки, схильної до техногенного впливу може бути представлена або нижнім півпростором нескінченних розмірів по площі і глибині (рис. 1а), або відповідно до глобальної тектонікою плит, у вигляді оболонки кінцевої товщини і нескінченних розмірів у плані, що знаходиться на в'язкому шарі астеносфери (рис. 1б).

Рис. 1. Геомеханічні модель техногенного впливу на літосферу

а - ділянка земної кори представлений нижнім півпростором нескінченних розмірів;

б - ділянка земної кори представлений у вигляді оболонки кінцевої товщини і нескінченних розмірів у плані

Граничні умови геомеханічного моделі включають бічні горизонтальні сили і об `ємна вага. У другому випадку на розділі між літосферою і астеносферою діють гідростатичні сили, що врівноважують вага плит літосфери. Бокові горизонтальні сили складаються з горизонтальних тектонічних сил, однакових по глибині й бокового розпору від гравітаційних сил, пропорційних глибині. Техногенні сили відповідають вазі порід, переміщуються при розробці. На ділянці видобутку, кар'єру чи зоні підземної видобутку, відбувається розвантаження масиву, а на ділянці отвалообразованія масив навантажується, викликаючи виникнення моменту сил у масиві.

Математичний апарат для дослідження поведінки геомеханічного моделі грунтується на класичних рішеннях завдання Бусінеска для розрахунку моделі, представленої нескінченним півпростором [3] і розрахунку оболонок для розрахунку моделі, що відповідає сучасним уявленням глобальної тектоніки плит [4]. Не виключається також і те, що на ділянці, схильному техногенного впливу будуть проявлятися в тій чи іншій мірі властивості обох моделей.

Укрупнені розрахунки по геомеханічні моделями, проведені на початкових етапах їх досліджень показали, що рівень вертикальних переміщень під техногенним навантаженням можна порівняти з переміщеннями, отриманими за результатами геодезичних зйомок у районах потужних землетрусів, пов'язаних із заповненням великих водоймищ [1]. При цьому слід враховувати дві особливості навантаження земної кори при техногенному впливі від розробки корисних копалин. По-перше, глибини кар'єрів у 2-2.5 рази перевищують глибини штучних водосховищ, що з урахуванням щільності порід викликає в 5-6 разів більші питомі навантаження. По-друге, частина видобутих порід складується на прилеглих територіях, що викликає протилежні за спрямованістю навантаження. Земна кора піддається в цьому випадку моментного навантаження.

Сформульовані теоретичні положення, що розкривають природу і механізм прояву масштабного техногенного впливу гірських розробок на ділянку літосфери, пройшли експериментальну перевірку на гірничих підприємствах. Цікаві результати були отримані на ділянці розробки Кіембаевского азбестового родовища (м. Ясний, Оренбурзької обл.). Досліджуваний район має чіткі параметри техногенного впливу на літосферу. Обсяг кар'єрної виїмки склав на даний час близько 500-700 млн. тонн гірничої маси, третина обсягу якої була складовано у відвали порожніх порід, розташовані на північ від кар'єру. Також на досліджуваній ділянці є розвинена державна геодезичну мережу, обладнана в 1960 р. перед початком розробки родовища. Таким чином, інструментальними вимірами було охоплено 11 пунктів державної геодезичної мережі 2-4 класів, розташованих на ділянці площею в 120 кв.км.

Відповідно до розробленої програми досліджень, у 1998-2001 р.р. в моніторинговому режимі були проведені повторні неодноразові перевизначення просторових координат пунктів державної геодезичної мережі. Перевизначення координат вироблялися з застосуванням комплексів супутникової геодезії [5] за спеціально розробленими методиками польових спостережень і камеральної обробки результатів [6]. Точність визначення просторових координат становила 5-7 мм. За результатами зіставлення первинних і сучасних координат пунктів геодезичної мережі були визначені зміщення реперів в горизонтальній і вертикальній площині. План поверхні родовища, схема геодезичної мережі, вектора зміщень і ізолінії вертикальних зсувів наведено на малюнку 2. За результатами вимірювань було встановлено, що величина вектора зміщень у горизонтальній площині досягає 330 мм, що відповідає величинам деформацій 0.06