Природно-технические системы — универсальные системы взаимодействия инженерных сооружений (объектов) и природной среды

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 556

ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ -УНИВЕРСАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

И ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

Грязнов О. Н.

На примере природно-технических систем «месторождение твердых полезных ископаемых (МТПИ) - горнодобывающее предприятие (ГДП)» и «геологическая среда (ГС) - высотное здание (ВЗ)» в условиях города Екатеринбурга рассмотрена универсальность систем взаимодействия инженерных сооружений (объектов) и природной среды. Ключевые слова: природно-техническая система (ПТС); природная среда; инженерное сооружение; область взаимодействия; условия; компоненты; параметры.

Природно-техническая система, по В. Д. Ломтадзе, - «природный комплекс, в пределах которого размещены искусственные объекты, созданные в результате выполнения строительных и других инженерных работ. В географии (а теперь и в инженерной геологии) такую систему рассматривают как модель, характеризующую взаимодействие природы (геологической среды) с сооружениями. Такое название особых возражений не вызывает, так как оно связано с общими закономерностями развития тех или иных явлений в природе. Здесь понятия геологическая среда, геологические условия кодируют словом, имеющим более широкое значение, - природная, а понятие сооружение или инженерные работы - словом техническая, отражающим также более широкое понятие, связанное с техникой. В инженерной геологии используют понятие о бинарной системе геологическая среда - сооружение, отражающее функционирование реальных бинарных систем: фундаменты - естественные основания; подземное сооружение - геологическая среда; выемка, котлован, карьер - геологическая среда» [1].

Природно-техническая система (ПТС) -уникальная система, охватывающая все многообразие взаимоотношений инженерных сооружений (или объектов) с компонентами

природной среды.

Типы ПТС чрезвычайно разнообразны. Они определяются многими факторами. Основные из них - тип инженерного сооружения (объекта) и ландшафтно-климатические условия природной среды. В качестве примеров рассмотрим ПТС двух типов: ПТС месторождений твердых полезных ископаемых (МТПИ) в скальных массивах, разрабатываемых горными способами, и ПТС «геологическая среда (ГС) - высотное здание (ВЗ)» в условиях города Екатеринбурга.

ПТС МТПИ в скальных массивах и горнодобывающих предприятий (ГДП) схематически представлена на рис. 1. Эта система детально охарактеризована в статье [2]. Она включает две подсистемы: «сооружение» (шахта или карьер с их инфраструктурой) и «область взаимодействия» (ОВ). Последняя представляет собой объем массива скальных горных пород, в котором происходит изменение естественных условий в процессе строительства и эксплуатации «сооружения» при разработке МПИ (рис. 2). ОВ формируется в конкретных физико-географических, геологоструктурных, литолого-петрографических, мерзлотно-гидрогеологических и геодинамических условиях, которые характеризуются набором компонент, определяющих особенности и тенденции процессов изменения ГС

№ 4(40), 2015

5

при вторжении ГДП в массив горных пород. ющие на уровень сложности формирования Физико-географические условия включают инженерно-геологических условий (ИГУ) рельеф, гидрологию, климат и биоту, влия- освоения месторождения. Разработка МПИ

Рис. 1. ПТС МТПИ в скальном массиве и ГДП:

1 - природная среда; 2 - МТПИ в скальном массиве; 3 -ГДП; 4 - область взаимодействия; 5 - стрелками показано воздействие добычных работ на компоненты природной среды

горными способами начинается с уничтожения и угнетения биоты: лес, кустарник вырубаются, почва убирается, звери уходят, птицы улетают, природный ландшафт трансформируется в техногенный. Геолого-структурные, литолого-петрографические, мерзлотно-гидрогеологические особенности определяют ИГУ отработки месторождения. Особое значение при функционировании ОВ приобретают геодинамические условия. При разработке МПИ неизбежно возникают горно-геологические процессы, связанные с изменением поля естественных напряжений. Все компоненты условий функционирования ОВ характеризуются набором параметров.

На активной стадии горнопромышленного техногенеза ГДП (шахта, карьер с их инфраструктурой) вторгается в природную среду, оказывая воздействие на все её ингредиенты: биоту (растительность, животный мир), почвы, покровные отложения, массив горных пород коренной основы, полезные ископаемые, подземные воды, природные геологические процессы, поверхностные воды, приземную атмосферу. Техногенные и техноприродные процессы этой стадии весьма раз-

нообразны.

Создание техногенных ландшафтов.

Антропогенный литогенез:

- субаэральный - насыпные грунты (отвалы горных пород, забалансовых руд); намывные грунты - хвосты обогащения и шламы;

- субаквальный - техногенный аллювий;

- субтерральный - выветривание, погребенные технологические потери горных пород и руд.

Гидролитогенные процессы: дренаж

шахтных и карьерных полей - техногенные зоны аэрации, активизация геохимических процессов; сброс дренажных вод, загрязнение поверхностных и подземных вод.

Субтерральные процессы: деформаци-

онные процессы вследствие перераспределения напряженно-деформационного состояния массивов горных пород (горные удары, стреляние, разрушение горных выработок; зоны обрушения; вывалы, осыпание горных пород; пучение глинистых пород); прорывы подземных вод и плывунов; активизация карстовых и суффозионных процессов; подземные пожары, выбросы газов.

6

Известия Уральского государственного горного университета

№ 4(40), 2015

1—3 - климат: 1 - количество атмосферных осадков, 2 - среднегодовая температура воздуха, 3 - сила и направление ветра; 4, 5 - гидрология: 4 - модуль поверхностного стока, 5 - химический состав поверхностных вод; 6,7 - рельеф: 6 - абсолютные отметки рельефа, 7 - коэффициент расчлененности рельефа; 8-13 - тектонические особенности: 8 - тип нарушений (пликативные, дизъюнктивные), 9 - возраст и характер тектонических нарушений, 10 - степень и характер трещиноватости, 11 - наличие зон дробления, милонитизации, 12 - наличие рассланцованности, плойчатости, 13 - состав и свойства заполнителя трещин; 14,15 - условия залегания пород: 14 - приуроченность к крупным геологическим структурам, 15 - этажность в вертикальном строении; 16, 17 - генезис и возраст пород: 16 - генезис горных пород, 17 - возраст горных пород; 18—20 - состав и свойства пород: 18 - минеральный и гранулометрический состав горных пород, 19 - структурно-текстурные особенности пород, 20 - физико-механические свойства горных пород; 21—25 - типы подземных вод: 21 - условия залегания подземных вод, 22 - гидравлические особенности водоносных горизонтов и комплексов, 23 - условия питания, разгрузки водоносных горизонтов и комплексов, 24 - химический состав подземных вод, 25 - режим подземных вод; 26—30 - мёрзлое состояние пород: 26 - характер распространения многолетнемёрзлых пород, 27 - среднегодовая температура горных пород, 28 - льдистость горных пород, 29 - криогенные текстуры, 30 - мощность мёрзлых горных пород; 31, 32 - напряженное состояние пород: 31 - скорости продольных, поперечных волн, 32 - коэффициент Пуассона; 33—36 - геологические и горно-геологические процессы: 33 - характер и тип экзогенных и горно-геологических процессов, 34 - условия развития экзогенных и горно-геологических процессов, 35 - масштабы процессов,

36 - пораженность территории

Гравитационные процессы в открытых горных выработках: осыпи, обвалы, оползни.

Техногенные землетрясения.

На пассивной стадии горнопромышленного техногенеза, после прекращения добычных работ и ликвидации горного предприятия происходит самозатопление горных выработок, развиваются своеобразные техногенные и техноприродные процессы, охарактеризованные на примере Урала С. Н. Елохиной [3]. Они перечислены ниже.

Деградация техногенных ландшафтов.

Гидролитогенные процессы: излив шахтных вод на поверхность земли; подтопление, заболачивание территории; загрязнение поверхностных и подземных вод рудничными водами; изменение структуры фильтрационного потока и общего водного баланса; включение в область питания водозаборных сооружений затопленных шахтных полей; снижение прочностных свойств горных пород вследствие их замачивания.

Выветривание грунтов отвалов, дамб хвостохранилищ и других объектов.

Эрозионные процессы на отвалах горных пород, дамбах хвостохранилищ и других объектах (плоскостной смыв, промоины).

Гравитационные процессы на подработанных территориях, в том числе в зонах сдвижения, обрушения, в карьерах.

Подземная водная эрозия горных пород затопленных выработок.

Активизация карстовых и суффозионных процессов.

Техногенные землетрясения.

Таким образом, ПТС МТПИ - структурированная область взаимодействия массива горных пород месторождения и горного сооружения, функционирующая в природных, а после прекращения добычных работ - в техногенных условиях территории и характеризующаяся свойственным ей набором компонент и их параметров [2].

ПТС «ГС - ВЗ» города Екатеринбурга, по О. Н. Овечкиной, «является областью системного взаимодействия высотного сооружения и грунтового массива, природно-технические условия которого определяются набором ин-

женерно-геологических компонент и их параметров с учетом глубины заложения фундамента, его конструктивных особенностей и величины силовой нагрузки, добавленной в существующую систему городской застройки» [4]. Структура ПТС, условия функционирования области взаимодействия, их компоненты и параметры практически идентичны охарактеризованным для ПТС МТПИ. Для ПТС «ГС - ВЗ» на рис. 1 следует понимать: под 2 - геологическую среду, под 3 - высотное здание. Особенности ПТС определяются природными условиями города Екатеринбурга: типами массивов горных пород коренной основы, геоморфологическими условиями, мощностью коры выветривания и соотношением мощностей составляющих её зон, гидрогеологическими особенностями (табл.). Ведущим фактором является состав горных пород грунтовых массивов: гранитоиды Верх-Исетского и Шарташского массивов, габбро-иды Балтымского массива, гипербазиты и серпентиниты, метаморфические породы по сланцам и эффузивам O-S, контакты горных пород (гранитов - габбро, габбро - сланцев, сланцев - серпентинитов) и кора их выветривания. Типы применяемых фундаментов - столбчатые, монолитные плиты, ленточный и комбинированный. В денудационно-тектонической впадине долины р. Исеть высотные здания построены на свайных фундаментах, опирающихся на скальные грунты, перекрытые аллювиальными отложениями.

В ПТС «ГС - ВЗ» развиваются своеобразные инженерно-геологические процессы: техногенная трансформация ландшафтов, перераспределение напряженно-деформированного состояния массивов горных пород вследствие гравитационного воздействия высотного здания (вплоть до наведённых сейсмических событий); гидролитогенные процессы, связанные с понижением уровня грунтовых вод при дренаже подземных вод; барражный эффект в связи с заглублением ВЗ; положительный баланс подземных вод в связи с утечками из водонесущих коммуникаций; антропогенный субаэральный литогенез; загрязнение приземной атмосферы,

8

Известия Уральского государственного горного университета

№ 4(40), 2015

Общая характеристика ПТС «ГС - ВЗ» города Екатеринбурга [4]

Типы массивов горных пород Геоморфологические условия Гидрогеологические условия (УГВ, м) Глубина залегания кровли скальных грунтов, м Мощность коры выветривания, м Зональность коры выветривания (мощность), м Величина силы сейсмического воздействия, баллы Тип фундамента

Дисперсная зона

щебенистая

Гранитный массив Чистовская и Юго-Западная впадины 1,1-3,2 0,1-12,0 0,5-14 0,5М,6 0,2-11 3-8 8 5,5-6 Столбчатый и ленточный

Габбровый массив Тектонические впадины, возвышенности, периферийный вал городской радиальноконцентрической структуры Во впадинах 0,7-6,8; на возвышенностях 7,8-12,0 м 0,7-18 0,2-26 0,2-17 0,3^1 1-15 21 6-7 Ленточный, столбчатый, монолитная плита

Метаморфи- ческие Тектонические возвышенности и впадины Во впадинах 1,5-3,5, на возвышенностях 5,3-6,8 м и > 21 (при водопониже-нии в метро) 3,5-11,0 и >21 1,0-35 от 1 до >21 0,6-35 1-16 - 5-6 Монолитная плита, столбчатый

Контакты горных пород Тектонические возвышенности и впадины Во впадинах 6,0-15,0; на возвышенностях 2,2-7,8 0,5-25 и> 35 0,3-14 и >35 0,3-22 0,5-7,5 1,5-20 - 6-8 Монолитная плита, столбчатый, комбинирован- ный

По берегам р. Исеть Исетская денудационно- тектоническая впадина 0,0-5,1 1,8-16 0,5-11,3 0,5-5,8 1,0-5,3 0,7-9,0 - 6-7 Свайный

'о

поверхностных вод (через ливневый сток), подземных вод (через утечки); тепловое, шумовое, вибрационное воздействие на окружающую среду и человека.

Краткое рассмотрение двух типов ПТС (МТПИ - ГДП, ГС - ВЗ) в достаточной степени характеризует универсальность природно-технической системы. При понимании на рис. 1 под цифрой 2 «геологической среды»,

а под цифрой 3 «инженерного сооружения (объекта)», схема будет отражать структуру ПТС любого типа. Для природно-технических систем любой сложности характерны открытость, динамичность, управляемость, а при объективной оценке и учете параметров компонент, условий функционирования области взаимодействия - и устойчивость.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Ломтадзе В. Д. Словарь по инженерной геологии. СПб: Изд. СПбГИ, 1999. 360 с.

2. Абатурова И. В., Грязнов О. Н. Инженерно-геологические условия месторождений Урала в скальных массивах // Изв. вузов. Горный журнал. 2014. № 6. С. 160-168.

3. Елохина С. Н. Гидрогеоэкологические последствия горного техногенеза на Урале. Екатеринбург: ООО «УИПЦ», 2013. 187 с.

4. Овечкина О. Н. Оценка и прогноз изменения состояния геологической среды при техногенном воздействии зданий высотной конструкции в пределах города Екатеринбурга: автореф. ... дис. канд. геол.-минерал. наук. Екатеринбург: УГГУ, 2013. 24 с.

Грязнов Олег Николаевич - доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры гидрогеологии, инженерной геологии геоэкологии. 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, Уральский государственный горный университет. E-mail: Gryaznov.O@ursmu.ru

10

Известия Уральского государственного горного университета