Формирование деформационного поля в иерархически блочном массиве горных пород

УДК 622.83 Н.А. Панжина

ФОРМИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННОГО ПОЛЯ В ИЕРАРХИЧЕСКИ БЛОЧНОМ МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД *

Семинар № 2

Подземная разработка рудных месторождений неизбежно сопровождается образованием пустот, нарушающих равновесие естественного поля напряжений нетронутого массива пород. Восстановление равновесия происходит за счет изменения величин и направления напряжений в области влияния горных разработок. Изменение напряжений вызывает деформирование окружающих пород и сдвижение их в пространстве.

Развитие процесса сдвижения, вызванного влиянием подземных горных разработок, на каждом месторождении полезных ископаемых имеет свои особенности, обусловленные конкретными горно-геологическими условиями.

Предмет нашего исследования -деформированная, иерархически блочная среда. находящаяся в постоянном деформированном состоянии. Рассмотрим, как происходит формирование деформационного поля на месторождениях Высокогорского ГОКа.

В Тагильском железорудном районе горные работы ведутся Высокогорским ГОКом уже более 270 лет на Высокогорском, Естюнинском и Ёе-бяжинском месторождениях. За этот период времени горные работы достигли глубины 750 метров и ведутся в черте города Нижний Тагил. Карье-

рами и шахтами на западной окраине города уже вынуто более 250 млн. м3 горной массы, и еще предстоит вынуть более 200 млн. м3. На всех указанных месторождениях выемка рудных тел сопровождается активизацией геодинамических событий, которая накладывается на естественную активность тектонических нарушений.

В строении месторождений Высокогорского ГОКа большая роль принадлежит тектоническим разрывным нарушениям. Все крупные разломы долгоживущие, глубокого заложения. Основными из нарушений являются региональный Туринский разлом суб-вертикального падения мощностью от 5 до 200 м, который подсекает восточный фланг Ёебяжинского месторождения и Тимано-Кокчетавская тектоническая зона с оперяющими ее мощными дизъюнктивными нарушениями, вскрывающая северо-восточный фланг Естюнинского месторождения. Также крупным и хорошо изученным является разлом Главный, имеющий северо-восточное простирание и прослеживающийся через Высокогорское и Ёебяжинское месторождения. Разлом Главный оперен тектоническими дизъюнктивными нарушениями более низкого ранга «Средний», «Диагональный» и др., также широко проявляются пострудные

*Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента РФ. 122

О 200 іЛви

Рис. 1. Схематическая геологическая карта Высокогорского месторождения как пример блочно-структурированного массива

нарушения более низких порядков, которые создают мелкоблоковую структуру рудных участков месторождений (рис. 1).

Исходя из структурно-геологического строения Тагильского района и геомеханических характеристик массива горных пород [1], можно предположить, что большая роль в формировании вторичного напряженно-деформированного состояния принадлежит техногенным процессам -выемке полезных ископаемых из недр, накладывающейся на естест-

венную геодинамическую активность крупных тектонических нарушений.

На сегодняшний день инструментальными наблюдениями, как традиционными в соответствии с требованиями [2], так и пионерными с использованием комплексов спутниковой геодезии GPS [3], охвачен породный массив на двух масштабных уровнях. На Высокогорском, Естю-нинском и Лебяжинском месторождениях для наблюдений за развитием процесса сдвижения, в пределах мульды, заложены наблюдательные

станции [2], по которым ежегодно проводятся инструментальные наблюдения с применением традиционной методики, а также определяются полные пространственные вектора смешений реперов методами спутниковой геодезии GPS. Кроме того, в западной части г. Нижний Тагил оборудована специальная наблюдательная станция, которая охватывает ежеквартальными GPS измерениями все крупные тектонические нарушения указанного района (рис. 2).

Результаты традиционных маркшейдерских наблюдений по профильным линиям наблюдательных станций показывают, что развитие процесса сдвижения на месторождениях ВГОКа происходит без формирования ярко выраженной мульды сдвижения. При этом четко прослеживается дискретный характер деформирования массива, проявляю-шийся в том, что породные блоки, линейные размеры которых составляют от нескольких десятков метров, при подработке деформируются достаточно слабо (суммарные деформации 0.1-0.5-10-3), а основные дефор-

Рис. 2. Уточненные по результатам геофизической съемки дизъюнктивные нарушения в висячем боку Высокогорского месторождения

мации (1-5-10-3), приходятся на межблоковые границы, которые представляют собой дизъюнктивные нарушения - сместители невысокого порядка. Таким образом, при подработке породного массива, имеющего иерархически-блочное строение, происходит его переупаковка по поверхностям ослаблений. Ярким примером такого характера деформирования служит массив, слагающий висячий бок Высокогорского месторождения. Породный массив разбит дизъюнктивными нарушениями (сбросо-сдвигами) «Средний» и Диагональный» на три блока - северный, центральный и южный (рис. 2). Выходы нарушений на поверхность были уточнены геофизическими методами -электроразведкой и спектральной сейсморазведкой, а также проконтролированы визуально, с западного борта зоны обрушения.

Инструментальные маркшейдерские наблюдения проводились по профильной линии, пересекающей указанные тектонические нарушения. Была проведена статистическая обработка данных о величинах горизонтальных и вертикальных деформаций интервалов за период 1993-2004 г.г. и построены графики распределения их суммарных величин по профильной линии (рис. 3). Обращает на себя внимание тот факт, что значительные по величине деформации, как горизонтальные, так и вертикальные, из

о

=;

14

ш

а

о

га

S

а

о

-8-

а>

CI

^ ^ ^ ^ ^ <$ <$t <$ ^ <$ ^ <$ ~ ^ лГ £Г лг Л<Г ^ /Г ^ ^ ~ ‘ " ~ ^ '• '- л ~

Л" Л Л Л ^ Л Л' Л Л" Л Л Л Л л^ Л «V #л <л

Я-Г ^ ^ ^ <>ЯЧ ^ ^ ^<Г <^4 ^ Я.Г ^ <^ <,& <,& <£Г

кЬгтервалы профильной пжж

Рис. 3. Суммарные деформации по профильной линии, пересекающей дизъюнктивные нарушения «Средний» и «Диагональный»

года в год концентрируются на одних и тех же интервалах профильной линии, соответствуюших выходам тектонических нарушений «Средний» и «Диагональный» на земную поверхность. Во внутриблоковых же частях массива величины суммарных деформаций незначительные, что подтверждает тезис о дискретном характере деформирования. При анализе величин полных векторов сдвижения, измеренных с применением комплексов спутниковой геодезии GPS, было установлено, что каждому породному блоку, слагающему исследуемый массив, присуш собственный характер трендовых движений. Направленность движения всех трех структурных блоков близка, и они достаточно согласованно перемешаются в югозападном направлении, но у южного блока проявляется большая тенденция отклонения к югу, обуславливающая его отход от северного и центрального блоков. Также имеются сушественные различия в скоростях

движения породных блоков. Если северный блок движется в сторону зоны обрушения со скоростью около 100140 мм/год, то центральный геоблок движется со скоростью 200-350 мм/год. В результате этого отклонения на контакте блоков по нарушению «Средний» происходит снижение нормальных напряжений и раскрытие тектонического нарушения «Средний», фиксируемое даже визуально, особенно в подземных условиях. Как следствие, снижается устойчивость на контакте, что проявляется в распределении величин суммарных деформаций (рис. 3).

Достаточно серьезные последствия имеют случаи, когда происходит соскальзывание породного блока по крупному нарушению, залегающему по простиранию рудного тела с падением в сторону выработанного пространства. В этом случае, потерявший устойчивость подработанный структурный блок, по поверхности ослабления смещается в сторону зоны об-

рушения. В случае, если угол падения данного тектонического нарушения меньше граничных углов сдвижения, зона концентрации критических деформаций может не совпасть с расчетными границами целика на земной поверхности, и как следствие, произойти разрушение охраняемого объекта. Примером подобной ситуации может служить деформирование породного массива на промплощадке шахты «Эксплуатационная» Лебяжин-ского месторождения (рис. 4).

В данном случае слабый учет роли тектонического нарушения, проходящего по территории промплощадки шахты, привел к тому, что произошло соскальзывание подработанного породного блока по поверхности структурного ослабления. Фактическая зона критических деформаций для объектов II категории охраны в данном случае не совпала с расчетной, и произошло частичное разрушение здания быткомбината и механической мастерской (рис. 5).

Проведенные на участке изыскания геофизическими методами подтвердили наличие тектонического нарушения с падением в сторону выработанного пространства под углом, значительно меньшим граничного угла сдвижения, по которому были

Рис. 4. Соскальзывание породного блока по дизъюнктивному нарушению, залегающему по простиранию рудного тела

отстроены границы целика для охраны объектов промплощадки от влияния подземных разработок. По результатам инструментальных маркшейдерских наблюдений было установлено, что аномальная зона критических деформаций является именно результатом отрыва и скольжения подработанного породного блока относительно массива, слагающего территорию промплощадки шахты, а не просчетами в определении граничного угла сдвижения и построении целика под охраняемыми объектами.

В связи с этим следует отметить, что роль тектонических нарушений в процессе сдвижения на рудниках Высокогорского ГОКа не ограничивается только негативным влиянием. В ряде случаев подвижки, происходящие по поверхностям ослабления, наоборот, разряжают негативную геомеханическую обстановку на месторождении, что имело место на Ес-тюнинском месторождении. С активизацией трендовых подвижек по дизъюнктивным тектоническим нарушениям, оперяющим Тимано-Кокчетавскую разломную зону, началось постепенное разрушение зависшей породной консоли, создающей угрозу внезапного масштабного обрушения (рис. 6). Ланные подвижки фиксировались инструментальными маркшейдерскими наблюдениями по профильным линиям, заложенным в пределах геологических разрезов 10-12. Ежегодные наблюдения проводились с примене-

нием традиционной методики, также определялись полные пространственные вектора смешений реперов методами спутниковой геодезии GPS. В результате было установлено, что начиная с 2001 г., началось разрушение зависшей породной консоли по серии дизъюнктивных нарушений, оперяю-ших Тимано-Кокчетавскую разломную зону. В данном случае тектоническое нарушение, разрезаюшее породную консоль, сложенную крепкими породами, сыграло роль поверхности ослабления, по которой произошла ак-

Рис. 5. Разрушение здания адмбыткомбината на ш. Эксплуатационная, Высокогорского ГОКа под воздействием смещений массива горных пород

тивация деформационных процессов, разряжающих сложную геодинамическую обстановку на Естюнин-ском месторождении. В настоящее время на данном участке процесс сдвижения развивается в виде «языка», вытянутого в суб-меридиональном направлении вдоль тектонического нарушения, который создает своеобразную отрезную щель, на которую происходит сдвижение массива, слагающего фланги породных блоков. Благодаря этим процессам в южной части исследуемого участка уже начала формироваться мульда сдвижения в ее классическом виде с выраженной зоной трещин и зоной плавных деформаций, и заполнение породой выработанного подземного пространства.

Итак, на месторождениях Высокогорского ГОКа важную роль играет вопрос о геодинамической активности дизъюнктивных тектонических нарушений различных рангов, обуславливающих структуру основных месторождений Высокогорского ГОКа, влияющий на развитие процессов сдвижения горных пород, сопровождающих их отработку.

Рис. 6. Развитие процесса разрушения зависшей породной консоли по дизъюнктивным нарушениям

Иерархически блочное строение массива диктует свои закономерности течения процесса деформирования массива не всегда отвечающие общепринятой схеме образования мульды сдвижения в ее классическом виде, а имеет четко прослеживающийся дискретный характер деформирования подработанного породного массива.

Процесс формирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород имеет непрерывную изменчивость во времени, отражающую постоянную подвижность геологической среды, требую-

1. Зубков А.В., Сашурин А. Д. Опасное развитие геодинамической обстановки в г. Нижний Тагил, причины, последствия и возможные мероприятия по ее смягчению // Материалы международной конференции "Горное дело - 2000". Промышленная безопасность и эффективность новых технологий в горном деле. - М.: МГГУ, 2001.

2. Инструкция по наблюдениям за сдви-

жением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений: Утв. Г осгортехнадзором

СССР 03.07.86. - М: Недра. -1988.

щую ведения постоянных наблюдений.

В условиях непрерывной подвижности под воздействием геодинамиче-ских движений формируются временные консолидированные блоки, ограниченные структурными нарушениями различных рангов, проявляющие повышенную подвижность.

Параметры деформационного поля в условиях дискретного деформирования имеют важное практическое значение в вопросах охраны сооружений от воздействия горных выработок.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Панжин А.А. Организация мониторинга геодинамической обстановки в г. Нижний Тагил методами спутниковой геодезии //Геодинамика и геологические изменения в окружающей среде северных регионов: Материалы конференции с международным участием: Т. II. Архангельск: Институт экологических проблем севера УрО РАН, 2004.

5. Зубков А. В. Геомеханика и геотехнология. - Екатеринбург: УрО РАН, 2001.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю А.Д. Сашурину за неоценимую помощь в проведении исследований.

— Коротко об авторе --------------------------------------------------------------

Панжина Н.А. - младший научный сотрудник, Институт горного дела (ИГЛ) УрО РАН, Екатеринбург.

Локлад рекомендован к опубликованию семинаром № 2 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Н. Попов.