Исследование деформационных процессов горного массива Таштагольского месторождения с использованием GPS-технологий в периоды производства массовых взрывов

УДК 622.83

В.А. Квочин, Т.В. Лобанова, А.Ф. Клещёва

ВостНИГРИ, Новокузнецк

Е.В. Новикова

ИГД СО РАН, Новосибирск

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ГОРНОГО МАССИВА ТАШТАГОЛЬСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ GPS-ТЕХНОЛОГИЙ В ПЕРИОДЫ ПРОИЗВОДСТВА МАССОВЫХ ВЗРЫВОВ

В последние годы для изучения геодинамических процессов в районах промышленной застройки широко используются методы спутниковой геодезии. Как правило, влияние природных факторов на состояние сооружений связано с наличием в горных массивах крупных тектонических разломов, зон дробления, зон ослабленных и обводнённых пород, наличие которых устанавливается методами геодинамического районирования. В теории катастроф утверждается, что в районе крупных тектонических разломов имеют место периодические движения земной коры, которые проявляются в виде микроколебаний и трендовых смещений, приводящих к тиксотропному разжижению пород, потере устойчивости оснований, росту нагрузок и развитию процессов разрушения в них. Методы спутниковой геодезии, разработанные первоначально для развития съёмочного обоснования, съёмки ситуации и рельефа, усовершенствованы в настоящее время и для решения этих задач.

Для оценки влияния массовых взрывов и геодинамических движений на процессы сдвижения земной поверхности и давления пород в шахте в периоды производства массовых взрывов на Таштагольском месторождении проведены комплексные наблюдения на земной поверхности и в горных выработках.

В районе подрабатываемых сооружений действующей промплощадки в периоды производства массовых взрывов и в процессе очистной выемки проведены наблюдения спутниковой геодезической системой Trimble, определен характер деформаций и периодичность сдвижений горных пород, выполнена оценка их влияния на деформирование объектов. Для проведения съемки на базе действующей наблюдательной станции за сдвижением земной поверхности месторождения (что позволило выбрать характерные точки наблюдений и надежные реперы) был запроектирован специальный полигон GPS-наблюдений, база которого с неподвижным приемником располагалась за зоной влияния горных разработок, а измеряемые пункты охватывали основные охраняемые и подрабатываемые объекты в лежачем боку и северном торце Восточного участка месторождения: стволы «Северный», «Ново-Капитальный», «Южный» и сооружения их надшахтных комплексов, административно-бытовой комбинат (АБК) шахты, реку «Кондома». Выполнено три серии наблюдений: до и после массового взрыва II слоя разрезного блока 17 в этаже (-350) - (-280) м, проведенного 26.06.05 г., и до

взрыва блока 30 в этаже (-280) - (-210) м, расположенного в предохранительном целике под ствол «Южный», взрыв которого произведен 2.10.05 г.

В результате спутниковых наблюдений методом быстро-статической съемки сеансами по 25 - 30 минут определено положение 13 реперов полигона, произведено вычисление базовых линий и уравнивание сети наблюдений, в результате чего получены координаты X, У, Ъ и вычислены превышения и расстояния между измеренными направлениями. В результате предварительного планирования съемки, рекогносцировки пунктов на местности в соответствии с требованиями к проведению наблюдений методами спутниковой геодезии и построению сети наблюдений, а также необходимой продолжительности сеансов наблюдений достигнута высокая точность определения координат реперов. Ошибка определения планового положения реперов после уравнивания не превышает 2 мм, высотного положения - 3 мм.

По полученным координатам реперов вычислены горизонтальные и вертикальные сдвижения реперов (приращения координат) по направлениям координатных осей за период взрыва II слоя 17 блока (14.06. - 28.06.05 г.) и за период очистной добычи перед массовым взрывом блока 30 (28.06. - 25.09.05 г.), по которым построены вектора сдвижений (рис. 1, 2). Установлен сложный характер процессов сдвижения пород в районе сооружений промплощадки и реки «Кондома». За период массового взрыва II слоя 17 блока отмечены прямые сдвижения в центральной части отрабатываемого Восточного участка, где и был произведен взрыв, и обратные сдвижения в торцах участка: в южном торце в районе Южного ствола и в северном торце в районе реки «Кондома» (рис. 1). В вертикальной плоскости зафиксированы поднятия самых удаленных реперов в центральной части и в районе Южного ствола. Максимальные сдвижения зафиксированы в районе ствола Ново-Капитального, где оседание составило 29 мм, а вектор горизонтальных сдвижений - 18 мм. Направление составляющих и результирующих векторов сдвижений показывает, что в результате взрыва наибольшему сдвижению были подвержены породы лежачего бока Восточного участка, где расположены основные сооружения действующей промплощадки. Установленные в результате ОРБ-наблюдений все три составляющие процесса сдвижения в направлениях X, У, Ъ позволили выявить преобладающее направление сдвижений в период массового взрыва не в направлении горных работ, а в направлении, близком к действию максимальных напряжений. Следует отметить, что на характер сдвижения существенно влияет нарушенность пород в районе месторождения. Так на участке между стволами «Северный» и «Ново-Капитальный» в районе разлома Холодного зафиксированы разнонаправленные сдвижения с максимальными величинами обратных сдвижений в районе разлома, что указывает на негативное влияние природных факторов на деформирование сооружений.

При анализе характера сдвижений в поле тектонических сил вокруг выреза, представленного зоной обрушения, тангенциальные составляющие сдвижений получены в 2,5 - 3 раза большими, чем радиальные. Их

максимальное значение в период массового взрыва составило 17 мм в районе ствола Ново-Капитального, что указывает на существенное развитие давления на стволы при массовых взрывах, которое может сопровождаться нарушением бетонного крепления и изгибом расстрелов, особенно в случаях совпадения их направления с направлением максимальных смещений.

Рис. 1. План наблюдательной станции за сдвижением земной поверхности Таштагольского месторождения с результатами ОРБ-наблюдений за период 14 - 28.06.05 г.: 1, 2, 3, 4, 5 - разломы, соответственно, Холодный,

Кондомский, Нагорный, Шахтерский лог, Диагональный; 6 -субмеридиональное тектоническое нарушение

Рис. 2. Совмещенный план наблюдательной станции за сдвижением земной поверхности и выработок гор. -280 м Таштагольского месторождения с результатами ОРБ-наблюдений за период 28.06.05 - 25.09.05 г.: 1, 2, 3, 4, 5 -разломы, соответственно, Холодный, Кондомский, Нагорный, Шахтерский лог, Диагональный; 6 - субмеридиональное тектоническое нарушение

Выявленные особенности пространственного деформирования массива при массовых взрывах свидетельствуют о необходимости их учета при длительном сроке существования стволов в зоне горизонтального опорного давления от горных работ.

По наблюдениям развития деформационных процессов при массовых взрывах в периоды разрезки этажей с использованием ОРБ-технологий установлено, что после разрезки этажа происходит существенное перераспределение напряжений на больших площадях, отражающееся в появлении на поверхности лежачего бока и торца обратных сдвижений до 100 мм и более (рис. 2). По предварительным данным эти сдвижения возникают при проскальзывании массива в момент взрыва по пологим тектоническим нарушениям (средний азимут сдвижений весьма близок к азимуту линии падения нарушений) и являются причиной сжатия горных пород лежачего бока, являющегося в дальнейшем источником дополнительных сейсмических нагрузок при отработке блоков.

Сдвижения такого порядка зафиксированы и при наблюдениях за сдвижением земной поверхности традиционными методами, когда при разрезке этажей (-350) - (-280) м в 2004 г. и (-280) - (-210) м в 1990 г. отмечено появление значительных по величине знакопеременных пикообразных горизонтальных (рис. 3) и вертикальных сдвижений, при этом прямые горизонтальные сдвижения и поднятия проявляются на ранней стадии разрезки, а обратные горизонтальные сдвижения и оседания следуют за разрезкой этажа. Действующие в районе месторождения тектонические напряжения уже на стадии разрезки оказывают значительное влияние на перераспределение напряжений и сдвижение горных пород вплоть до поверхности, что, с одной стороны, существенно влияет на рост удароопасности массива и увеличение давления на стволы и другие горные выработки, с другой стороны, при скоростях сдвижения горных пород в этот период в 2 и более раз превышающих обычный уровень, оказывает значительное воздействие на поверхностные сооружения уже при разрезке этажей.

О сжатии пород лежачего бока свидетельствуют и наблюдения по станциям контурных реперов в квершлагах гор. -280 (рис. 2) и -350 м, проведенные в эти же периоды между массовыми взрывами, когда в порожняковом квершлаге гор. -280 м на участке между стволом Ново-Капитальным и полевым штреком за период между массовыми взрывами блоков 17 и 30 произошло сжатие массива на 100 мм.

В период массового взрыва II слоя 17 блока для оценки активности зоны тектонической нарушенности в районе административно-бытового комбината шахты, представленной сочленением разлома Холодного и субмеридионального тектонического нарушения, выполнена многочасовая ОРБ-съемка в полигоне: пункт полигонометрии 1111 - репер +20 линии «Д -Д» - репер +13 линии «Д - Д» - пункт полигонометрии 1111 (рис. 1). Базовая линия между реперами +20 и +13 линии «Д - Д» заложена в зоне

тектонической нарушенности и расположена в Восточном геодинамическом блоке, а базовая станция - пункт полигонометрии 1111 - в соседнем ЮгоВосточном блоке, которые разделены между собой разломом по Шахтерскому логу и нарушением в районе ВГСЧ, что позволяет определить движения различных блоков в процессе изменения напряженно-деформированного состояния в районе разработки месторождения.

а) профильная линия «Шх. Северная»

б) профильная линия «Западная»

Рис. 3. Изменение во времени скоростей горизонтальных сдвижений реперов в различных зонах сдвижения Таштагольского месторождения: 1 - зона неопасных плавных сдвижений; 2 - зона опасных плавных сдвижений; 3 -

зона трещин

В процессе GPS-съемки накопление данных от спутников производилось в течение 9 часов с интервалом 15 секунд в один файл данных на каждой станции, которые при постобработке с помощью специальной утилиты Convert to RINEX программного обеспечения Trimble Geomatics Office были преобразованы в Rinex-файлы. Эти многочасовые файлы в дальнейшем были разбиты на файлы по 20 минут, каждый из которых был обработан с использованием программного обеспечения Trimble Geomatics Office. В результате обработки вычислены координаты X, Y, Z, расстояния и превышения между реперами. Относительно начального времени наблюдений вычислены смещения массива. Полученные данные отображены в графическом виде, что наглядно демонстрирует развитие процессов сдвижения во времени и пространстве (рис. 4).

Следует отметить изменчивость расстояний (горизонтальных смещений) и превышений (вертикальных смещений) во времени как в направлении простирания рудной зоны практически параллельно разлому Холодному (линии: п.п. 1111 - репер +20 и п.п. 1111 - репер +13), так и вкрест простирания рудной зоны перпендикулярно разлому (линия: репер +20 - репер +13). Характер изменчивости во времени превышений, а также и расстояний, по близким направлениям совпадает (линии: п.п. 1111

- репер +20 и п.п. 1111 - репер +13). Это дало возможность косвенно по данным многократных измерений близких по положению расстояний и

превышений оценить среднеквадратическую погрешность их измерения. На близких направлениях при одном общем пункте характер изменения напряжений и деформаций во времени должен быть близок, а, следовательно, величины прироста расстояний и превышений во времени должны быть близки. Их разность определяет верхний предел погрешности измерения. Средняя погрешность измерения по 27 интервалам времени составила ± 1.9 мм для расстояний и ± 6 мм для превышений. Поэтому точность измерений с учетом неравенства положения второй точки измерения следует считать достаточной для оценки геодинамических движений.

Характер изменения во времени расстояний и превышений по перпендикулярному к этим направлениям профилю (репер +20 - репер +13) практически противоположен по знаку, что, с позиций геомеханики, согласуется, ибо поперечная деформация в испытуемых образцах противоположна по знаку. С учетом этих данных можно сделать вывод, что сложный характер изменения деформационных процессов, полученный при GPS-съемке отражает реальные процессы, происходящие в горном массиве в районе тектонических разломов в период массовых взрывов и после них.

После массового взрыва сейсмостанцией «Таштагол» в период с 12 до 19 часов зафиксировано 12 сейсмических событий 2 - 5 энергетического класса (рис. 5). Максимальный по мощности толчок 5 класса произошел почти сразу после взрыва, что в реакции массива не отразилось. Четкой зависимости между энергией толчков и амплитудой смещений сразу после взрыва не выявлено, что обусловлено, возможно, осреднением смещений за 20-ти минутный интервал времени.

а) горизонтальные смещения

и

н

о

а

и

и

о

я

а

а

о

и

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

#* Л\ II Г-Ґ"* м./ /\\\, - ^ / 1 4 /і ' ч* 1 А 1 \ *

/ /М I/ ^Е=5^ 1 Уч.

\\/ V \ / V V ' ' * V

ооооооооооооооооооооооооооо п о п о п о п с; п — с; п — о п с; п -=г о п о

а л о о о

О О і—< і—< —<

Время, час : мин

-Реп. +20 - +13

-Реп. 1111 - +20

Реп. 1111+13

б) вертикальные смещения

И

о

а

и

и

а

и

га

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

ГИ * / 1 / \1 1 ч \ / \ IV \ і \ / / 1

\ 1 ч/\\ ( и* V \\ _ >У\7' ' Л 1 1

1 1 /1 т/ і 1 і і ІД і м / 1 \ 1 і /г і,/ і і Т V і А і \ А * Д> л і И

' 1 \ ' ' ' / \ * 7 * У ^ / V і' ЫхЛИ1 У

V V V у

Vі

ооооооооооо

М'^ОМ'ТОМ^ОМ^

о о о о о о о О СЧ ТГ О СЧ ТГ о

о о

СЧ ТГ

о о о о о о о

О СЧ ТГ О СЧ 'ЧГ о

04 04 о о о

О О .-I — —

Время, час : мин

-Реп. +20 - +13

-Реп. 1111 - +20

Реп.1111+13

Рис. 4. Изменение смещений земной поверхности Таштагольского месторождения до и после массового взрыва II слоя блока 17 в этаже (-350) -

(-280) м 26.06.05 г.

12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00

Время, час : мин

Рис. 5. Изменение во времени сейсмической активности Таштагольского месторождения после массового взрыва II слоя блока 17

Как показали исследования в зоне разлома на территории ОАО «ЗСМК», проведенные институтом «ВостНИГРИ», динамический характер движений породного массива в разломных зонах является более выраженным при более малых периодах измерений, поэтому при выделении в 20-ти минутных интервалах 5-ти минутных периодов возможно выявление взаимосвязи между амплитудой смещений и энергией серии сейсмических событий, произошедших в первые 10 минут после взрыва. Некоторая взаимосвязь смещений и толчков наблюдается при последующих толчках. Так, например, в период толчка класса 3.7, зафиксированного в 13:26:12, в 13:40 произошло скачкообразное поднятие репера +13, в то время как на репере +20 большая активизация сдвижений наблюдалась в 14:00, что может отражать скорость распространения деформационной волны. Имеет место совпадение максимумов сжатий по простиранию и поднятий в лежачем боку в 13:40, 14:00, 15:40 и 18:00 (рис. 4, а, б) в периоды толчков 3 класса, зарегистрированных в период с 13:26 до 18:20.

Повторные наблюдения короткопериодных смещений на границе зоны тектонической нарушенности в районе АБК шахты

- (-210) м, произведенного 2.10.05 г. Зафиксированные смещения земной поверхности приведены на графиках рис. 6. Сопоставление графиков смещения на рис. 4 и 6 показывает, что амплитуда смещений как

горизонтальных, так и вертикальных при массовом взрыве блока 30 меньше, чем при взрыве II слоя блока 17.

20

15

10

5

Й о В

и

а

и

-5

-10

-15

-20

Л Л

: \ Л А 1 \ 1 \

1 )к_ иь- ♦- 1 \/ \ 'М * ' л 'А V ' \ ? */ \

^ і * \, і я п і . і' і \ / ' ' > V 1 1 4 1 ^ ^ 1 1 1 1 елі/ 1 1 ч 1 1 1 ' ^ ^ 1 V л / ^ ^ \

* V1 V V ' / < V

оооооооооооооооооооооооооооо

0МЧ-0^'Т0М^0Г)'Г0П'Ї0М'Ї0М'Ї0М'Т0М'Т0

!Л (Л Зі С О О О О О ^ —С —С

о п сі тгл^'?^'їіліліліс\о'дг'г'і''со

Время, час : мин

- вертикальные -о- горизонтальные

Рис. 6. Изменение смещений земной поверхности на границе зоны тектонической нарушенности до и после массового взрыва блока 30 в этаже

(-280) - (-210) м 2.10.05 г.

Длительными (в течение 9 часов) непрерывными наблюдениями смещений земной поверхности по границам крутопадающих тектонических разломов установлено наличие короткопериодных геодинамических движений с амплитудой 15 - 30 мм. По погрешностям замыкания контрольных треугольников и обработки данных изменения во времени близких расстояний, установлено, что погрешность ОРБ-съемки при измерении расстояний не превышает 1 - 2 мм на 1 км. Таким образом, полученная высокая точность измерения смещений горного массива при ОРБ-съемке, превышает точность большинства известных в геодезии методов.

Таким образом, в результате исследования деформационных процессов горного массива Таштагольского месторождения с использованием ОРБ-технологий в периоды производства массовых взрывов установлено:

1. Период разрезки этажа в условиях геотектонических полей напряжений является значимым как для динамических проявлений горного давления, так и в плане воздействия сдвижений на охраняемые сооружения. После разрезки этажа происходит существенное перераспределение напряжений на больших площадях, отражающееся в появлении на поверхности лежачего бока и торца месторождения обратных сдвижений до

100 - 200 мм, что подтверждено также измерениями в квершлагах на гор. -280 и -350 м. По предварительным данным эти сдвижения возникают при проскальзывании массива в периоды массовых взрывов по пологим тектоническим нарушениям и являются причиной сжатия пород лежачего бока, являющегося в дальнейшем источником дополнительных сейсмических нагрузок при отработке блоков.

2. При многочасовой ОРБ-съёмке в районе тектонических нарушений наблюдается разнонаправленное движение бортов разломов по высоте и чередование сжатий и растяжений на участке тектонических разломов, что в значительной мере способствует повреждению сооружений, расположенных в этих местах. По данным наблюдений эти геодинамические движения с амплитудой 15 - 20 мм являются короткопериодными, что нередко наблюдается и в других регионах страны. Характерно, что периоды появления сжатий и поднятий массива, отмеченные при многочасовой ОРБ-съёмке, в целом коррелируют с периодами проявления толчков, зафиксированных сейсмостанцией «Таштагол».

© В.А. Квочин, Т.В. Лобанова, А.Ф. Клещёва, Е.В. Новикова, 2006