Современная геодинамика и безопасность объектов в подземном пространстве

© А.Д. Сашурин, 2003

УДК 550.3 А.Д. Сашурин

СОВРЕМЕННАЯ ГЕОДИНАМИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ В ПОДЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ*

Геодинамике, как самостоятельной научной дисциплине, различные ученые отводят широкий и разнообразный круг вопросов. Общая, или глобальная, геодинамика изучает глубинные процессы, определяющие движущий механизм преобразований в литосфере. Частная, или региональная, геодинамика изучает развитие поверхностных оболочек [1].

Теркот Д.А. и Шуберт Дж. в предисловии к русскому изданию «Геодинамики» определяют геодинамику как науку, изучающую движения и деформации, происходящие в земной коре, мантии и ядре, и их причины [2].

В соответствии с этими определениями и согласно принятой в геологических дисциплинах терминологии, в статье речь идет о современных движениях земной коры, проявляющихся в ее приповерхностных областях в настоящее время и в последний период, сопоставимый по продолжительности со сроками службы объектов недропользования. Причем под недропользованием подразумевается не только добыча, переработка и транспортировка полезных ископаемых, а вся обширная сфера человеческой деятельности, в которой массив горных пород и его земная поверхность выступают в качестве неотъемлемого важнейшего инженерногеологического компонента.

Экспериментальное изучение гео-динамических движений массива горных пород и земной поверхности, играющих первостепенную роль в формировании напряженно-

деформированного состояния, до недавнего времени представляло собой сложнейшую научную проблему, так как было сопряжено с необходимостью проведения высокоточных измерений смещений и деформаций на базах до десятков километров в миллиметровом диапазоне точности. Прак-

* Работа выполнена при поддержке РФФИ

тическая возможность постановки серьезных экспериментальных исследований в этой области открылась с внедрением в научную практику GPS-технологий - технологий спутниковой геодезии.

В ИГД УрО РАН технологии спутниковой геодезии вошли в практику научных исследований благодаря созданию в 1996 году при финансовой поддержке РФФИ центра коллективного пользования «Уральского центра геомеханических исследований природы техногенных катастроф в районах добычи полезных ископаемых». В настоящее время центр оснащен 12 современными совместимыми в работе спутниковыми приемниками фирм Trimble (США) и Zeiss (Герма-ния), позволяющими производить методологически сложные эксперименты, в том числе непрерывное слежение за деформированием обширных участков земной поверхности.

История познания современных геодинамических движений развивалась от общих глобальных явлений к частным процессам. Начало ее с определенными условностями можно отнести к появлению в начале ХХ века гипотезы А. Вегенера о дрейфе континентов, которая уже во второй половине столетия обрела статус теории тектоники литосферных плит [3]. Эта теория по своей сути впервые сдвинула литосферные плиты и материки в горизонтальной плоскости и наделила их постоянными современными движениями. Появление спутниковых технологий геодезии позволило экспериментально определить численные значения этих перемещений.

С постановкой обширных экспериментальных исследований современных движений земной коры на геодинамических полигонах различного назначения был сделан очередной шаг в их познании - были выявлены интенсивные локальные аномалии вертикальных и горизонтальных

движений, приуроченные к зонам разломов различного типа и ранга [4]. Эти аномальные движения, названные суперинтенсивными, высо-коамплитудны (до 50- 70 мм/год),

пространственно локализованы (0,1 - 1км), короткопериодичны (0,1 - 1год) и обладают пульсационной и знакопеременной направленностью.

И, наконец, внедрение дифференциальных GPS-технологий в периодическом (дискретном) и непрерывном вариантах мониторинга за смещениями и деформациями позволило коллективу, возглавляемому автором, выявить новый класс геодина-мических движений в разломных зонах с периодами около 1 минуты и около 1 часа, подтвердить движения с периодами до года и более. Всем этим движениям, наряду с трендовой составляющей, которая возможно является следствием длиннопериодных колебаний, свойственны пульсацион-ный характер и знакопеременная направленность [5].

Таким образом, вся гамма наблюдаемых цикличных знакопеременных и трендовых движений свидетельствует, что основным свойством геологической среды, особенно в разломных зонах, является нахождение ее в непрерывном движении. Движение выступает как форма существования геологической среды. В связи с этим, роль и место современной геодинамики трудно переоценить в фундаментальной сфере наук о Земле, но еще более важна ее роль в решении практических задач по обеспечению безопасности объектов, связанных с освоением поземного пространства.

Исследованиями выявлены два вида геодинамических движений: цикличные с различной продолжительностью периодов и трендовые, сохраняющие в течение длительных периодов постоянную направленность. На безопасность объектов подземного пространства и наземных сооружений оказывают влияние оба вида геодинамических движений. Результаты экспериментальных исследований современной геодинамики, полученные в последние годы, приведены в таблице.

Места проявления геодинамических движений в большей мере тяготеют к активным тектоническим структурам и непосредственно прилегающим к ним объемам пород и участкам земной поверхности. Экспериментально в этих

зонах установлены большие амплитуды смещений. С удалением от тектонических структур в глубь структурных блоков наблюдается снижение уровня смещений. Однако каких либо количественных закономерностей распределения смещений пока не установлено.

Механизм воздействия трендовых и колебательных геодинамических смещений на объекты недропользования разный. Влияние трендовых движений известно. Объекты, попадающие на активные тектонические структуры с трендовыми движениями нарушаются по достижению в их конструкции предельных деформаций или напряжений. Однако тектонические структуры с выраженным трендовым характером движений встречаются довольно редко.

Цикличные движения более распространенные и воздействие их более многогранно и проявляется как в непосредственном влиянии цикличных деформаций на сам объект, так и через изменение свойств массива горных пород в разломных зонах под влиянием переменных циклических нагружений. Механизм непосредственного воздействия цикличных деформаций на инженерные сооружения достаточно прост и не нуждается в особых пояснениях. Если амплитуда знакопеременных деформаций превысит допустимые деформации конструктивных элементов сооружения, то в нем проявятся нарушения с соответствующими аварийными последствиями.

Если уровень деформаций ниже допустимых значений, то аварийные последствия от воздействия зависят от проявления усталостных эффектов. По выявленным в настоящее время частотам короткопериодных геодинамиче-ских колебаний наибольшую опасность в этом плане представляют колебания с периодами около одной минуты и около одного часа, создающие, соответственно, 500000 и 9000 циклов нагружения в год. Время разрушения от цикличных нагружений зависит от уровня амплитуды переменных деформаций относительно допустимых значений деформаций. Для металлоконструкций трубопроводов различного назначения цикличное нагружение интенсифицирует процесс коррозии в десятки и сотни раз.

Изменение свойств массива горных пород в разломных зонах под влиянием переменных цикличных нагружений довольно распространенное явление. Однако внешне его признаки не контра-

стны и выявление непосредственного их влияния на объекты весьма проблематично. Впервые это явление отмечено, пожалуй, в работах НТФ «Геофиз-прогноз» на основе изучения разломных зон методом сейсмопрофилирования [6].

Было высказано предположение, что в разломной зоне массив горных пород находится в тиксотропном состоянии. На основе этой гипотезы были решены многочисленные практические задачи, высказаны представления по механизму и природе многих техногенных аварий и катастроф, в том числе и по известной катастрофе метрополитена г. Санкт-Петер-бурга.

Однако при всей плодотворности высказанной идеи вопрос о причине возникновения тиксотропного состояния в разломной зоне оставался не раскрытым.

Известно, что в природе явление тиксотропии возникает в некоторых видах грунтов и пород в период землетрясений. За счет знакопеременных цикличных нагружений эти грунты, имеющие в статическом состоянии достаточную несущую способность, разжижаются, резко снижая свои прочностные характеристики. Это нередко ведет к перекосу и опрокидыванию жилых домов и инженерных сооружений. Но это явление происходит в лишь короткий период действия землетрясения. Впоследствии грунты вновь обретают свои обычные свойства.

Тиксотропия в разломных зонах, сложенных во многих случаях скальными породами с более нарушенной структурой, проявляется постоянно в размытой форме на протяжении длительных промежутков времени. Это явление более точно видимо можно охарактеризовать термином квазитиксотропия.

После выявления современной короткопериодной геодинамики мы предположили, что причиной квази-тиксотропного состояния пород раз-ломной зоны являются знакопеременные цикличные смещения. Вызванные ими знакопеременные цикличные нагружения приводят к изменению прочностных и деформационных свойств, то есть к квазитиксотропии. В зависимости от конструктивных особенностей сооружений, взаимо-дйствующих с разломными участками массива горных пород, складываются различные механизмы и сценарии развития аварий и катастроф.

Одним из характерных примеров разрушения подземных объектов могут служить аварии на подземном канализационном коллекторе г. Сургута. Экспериментально установлено, что в разломных зонах и на примыкающих к ним территориях действуют современные геодинамические смещения с широким спектром частот и амплитуд (см. табл.). Наиболее контрастными среди них являются смещения с продолжительностью циклов около одной минуты и около одного часа. Имеются и другие менее выраженные циклы. Уровень напряжений и деформаций, вызванный этими смещениями, превышает допустимые значения для монолитной железобетонной внутренней обделки коллектора, закрепленного железобетонными тюбингами.

Механизм разрушения коллектора происходит в следующей форме (рис. 1):

• песчано-глинистые породы разломных зон под влиянием знакопеременных смещений и деформаций находятся в квазитиксотропном состоянии, имея по отношению к окружающим породам аномально пониженные несущие свойства;

• сборная железобетонная тюбинговая крепь канализационного коллектора с внутренней монолитной железобетонной обделкой, обладая достаточным весом и находясь под нагрузкой от налегающей толщи, не встречает в квазитиксотропном массиве достаточной опоры, проседает и прогибается, получая нештатное нагружение, не предусмотренное конструкцией;

• нештатную нагрузку крепи вызывают непосредственно и сами короткопериодные геодинамические движения;

• под действием этих двух факторов монолитная железобетонная обделка коллектора разрушается с образованием кольцевых трещин разрыва, превращая монолитный коллектор в обособленные секции длиной 5 - 7 м;

• на последнем этапе к процессу разрушения подключаются грунтовые воды, уровень которых находится выше заложения канализационного коллектора; устремляясь в образовавшиеся трещины внутрь коллектора, который теперь уже выполняет функции дренажного устройства, они выносят с собой песчано-глинистые

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРАМЕТРОВ

ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ

Исследуемый объект Вид наблюдений Максимальные смещения, мм Максимальные деформации, 1/1000

гориз. вертик. гориз. вертик.

Сургут, нефтепровод Непрерывные 47 108 1,17 2,69

Сургут, канализационный коллектор Непрерывные 57 92 1,03 1,46

Сарана, радиорелейная мачта Периодические 48 28 - -

Каменск-Уральский, карстовые провалы Непрерывные 8 22 0,08 0,37

Еманжелинск, газопровод Бухара-Урал Непрерывные 38 63 0,18 0,17

Ясный, Киембаевский карьер Периодические 335 113 0,06 0,04

Железногорск-Илимский, Коршуновский карьер Непрерывные 629 600 1,20 0,29

Белоярская АЭС, четвертый блок Непрерывные 5 5 0,10 0,10

Хромтау, Донской ГОК Непрерывные 15 31 0,09 0,22

породы, находящиеся в квазитиксо-тропном состоянии, образуют суффо-зиозные карстовые полости, реализующиеся выходом провалов на земную поверхность и окончательным разрушением коллектора.

Таким образом, в основе приведенного примера техногенной катастрофы лежит комплексное проявление короткопериодной геодинамики, реализуемое как через непосредственное воздействие смещений и деформаций на сооружение, так и опосредованно через изменение свойств раз-ломной зоны.

Длительное время (более 25 лет) в аварийном состоянии периодически пребывает северо-западный борт Главного карьера Коршуновского ГОКа на участке, пересекаемом широтным разломом мощностью около 500 м. В

борту карьера, начиная с 1975 года, периодически происходят крупные оползни при углах наклона борта 22 градуса. По всем расчетным оценкам скальные осадочные породы, слагающие этот борт, должны обеспечивать его устойчивость при углах 28 - 30 градусов с нормативным запасом устойчивости 1,3.

На карьере производились периодические наблюдения за смещениями маркшейдерских пунктов, расположенных по контуру карьера с годичной периодичностью, выявившие цикличные их смещения с растяжением и сжатием интервалов между ними. Оползневая масса деформируется буквально в виде оплывины, полностью разжижаясь и теряя свою первоначальную структуру, превращаясь в селеподобную массу. Массив находится в явно выраженном тиксотропном состоянии.

Глубже в борту карьера находится гидротехнический тоннель, по которому из карьерного поля отведена река Коршуниха. При обследовании тоннеля было установлено, что монолитная железобетонная крепь на участке раз-ломной зоны трещинами разрыва разбита на отдельные секции длиной 7 -10 м. В образовавшиеся трещины внутрь тоннеля поступают подземные воды, иногда фонтанируя под давлением. Причем, образовавшиеся кольцевые трещины практически ни разу не совпали со строительными стыками крепи. В целом, характер разрушения крепи гидротехнического тоннеля Коршуновского карьера сходен с разрушением канализационного коллектора в г. Сургуте с той лишь разницей, что в скальных породах Коршуновского гидротехнического тоннеля пока не проявился суффозионный процесс.

Одной из форм провоцирования аварийных ситуаций является активизация процессов карстообразова-ния. С такими явлениями мы столкнулись при исследовании причин активизации карстовых процессов в жилом микрорайоне Красная горка г. Каменск-Уральского и на газопроводе Бухара-Урал на участке Красногорского ЛПУ на Южном Урале в районе г. Еманжелинска. На обоих участках проводились непрерывные наблюдения за короткопериодными геодина-мическими смещениями. Максимальные значения горизонтальных и вертикальных смещений и деформаций приведены в таблице.

Рис. 1. Механизм разрушения подземного коллектора: 1 - подземный коллектор; 2 - зона обрушения; 3 - уровень грунтовых вод; 4 - породы разлом-ной зоны в тиксотропном состоянии; 5 - зона суффозионного выноса

Рис. 2. Взаимосвязь между современной геодинамикой и техногенными катастрофами

Причиной активизации процессов образования карстовых провалов явилось воздействие переменных нагрузок на породы разломных зон и переход их в квазитиксотропное состояние, активизирующее суффозионные процессы. Серия карстовых воронок, образовавшаяся в разломной зоне, пересекающей газопровод, вызвала обнажение третьей нитки газопровода, создавая угрозу ее сохранности. На основе анализа практических примеров развития аварийных ситуаций на объектах, расположенных в разломных зонах различных рангов синтезирована схематичная взаимосвязь между современной геодинамикой и техногенными катастрофами на объектах недропользования, представленная на рис. 2.

Выявленная взаимосвязь между современными геодинамическими движениями и механизмом развития техногенных катастроф в области недропользования создает теоретическую основу в определении стратегии проведения фундаментальных исследований по проблеме изучения природы техногенных катастроф. Одновременно использование ее повышает эффективность решения прикладных задач, связанных с прогнозированием и разработкой мер по предотвращению техногенных катастроф и снижению тяжести их последствий в конкретных ситуациях недропользования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Николаев Н. И. Новейшая тектоника и геодинамика литосферы. - М.: Недра, 1988. - 491с.

2. Теркот Д. Л., Шуберт Дж. Геодинамика: Геологические приложения физики сплошных сред. Ч. 1: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. -376с.

3. Вегенер А. Происхождение материков и океанов / Современные проблемы естествознания. М.-Л.: Геоиздат, 1925. 145 с.

4. Кузьмин Ю. О. Современная геодинамика и оценка геоди-намического риска при недропользовании. - М.: Агентство экологических новостей, 1999. 220 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------

5. Sashourin A. D., Panzhin A. A., Kostrukova N. K., Kostrukov O. M. Field investigation of dynamic displacement in zone of tectonic breaking / Rock mechanics - a challenge for society: Proceedings of the ISRM regional symposium EUROK 2001. ESPOO, Finland 3-7 June 2001/ Balkema 2001. p. 157-162.

6. Гликман А. Я. Физика и практика спектральной сейсморазведки. Internet.

http://www.newgeophys. spb. ru/ ru/book/index. shtmc.

Сашурин А.Д. — Институт горного дела УрО РАН, г.Екатеринбург.