Мониторинг геодинамических явлений разрушительного характера при освоении месторождений

УДК 528.1: 622.8 А.Н. Соловицкий КузГТУ, Кемерово

МОНИТОРИНГ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ РАЗРУШИТЕЛЬНОГО ХАРАКТЕРА ПРИ ОСВОЕНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Предлагается методика мониторинга геодинамических явлений (ГДЯ) разрушительного характера при освоении месторождений.

A.N. Solowizkij

Kuzbass State Technical University

28 Wesennaya Ul., Kemerowo, 650000, Russian Federation

THE MONITORING OF DESTRUCTIVE GEODYNAMIC PHENOMENA AT THE DEVELOPMENT OF DEPOSITS

There was devised the monitoring of destructive geodynamic phenomena (GDPh) at the development of deposits.

Крупные аварии на шахтах Кузбасса (“Тайжина“, “Листвяжная“, “Есаульская“ и др.) показали, что системы управления промышленной безопасностью угольных предприятий не могут обеспечить приемлемый её уровень при резком увеличении производительности горношахтного оборудования и нагрузки на очистной забой. При этом известно, что разрушительный характер имеют геодинамические явления (ГДЯ): горнотектонические удары, техногенная сейсмичность и др.

В 21-м веке прогнозируется еще более масштабное освоение недр Кузбасса, особенностью которого является высокая концентрация горных работ на ограниченной территории в сочетании с расположением 40 % шахт и разрезов в зонах влияния глубинных разломов. Отечественной и зарубежной практикой установлено, что затраты оценку природных геодинамических явлений катастрофического характера во много раз меньше, чем затраты на ликвидацию их последствий. Поэтому для безопасного освоения новых территорий и уже разрабатываемых месторождений необходим мониторинг развития медленных деформационных процессов (МДП) блоков земной коры, приводящих к проявлению ГДЯ.

Для реализации данного мониторинга предлагаются: новый метод сбора информации; усовершенствованная методика математической обработки; разработанная автором система оценки и прогноза развития явления.

Для сбора информации предложен и разработан метод структурно ориентированных построений на ГДП в районе месторождения, коренными отличиями которого являются [1]:

- Конструкция построений ГДП в виде специальных сетей со структурно ориентированным расположением пунктов;

- Учет иерархии блочного строения в районе месторождения -многоуровенными построениями;

- Учет глубины проникновения разломов разновысотностью пунктов путем их глубинного заложения (300 м при его размерах до 1 км);

- Взаимно обусловленная комплексность повторных наблюдений на пунктах ГДП, основанная на корректности приведения к одной системе координат и эпохе.

В данном случае первый уровень - это структурно ориентированные построения ГДП отдельного блока земной коры. Второй уровень - это структурно ориентированные построения ГДП блоков одного ранга на участке земной коры. Третий уровень- это структурно ориентированные построения ГДП блоков разных рангов на участке земной коры.

Пункты ГДП подразделяют: на мобильные и стабильные.

Каждый блок земной коры предлагается закреплять на местности мобильными пунктами ГДП в вершине и в узлах пересечения разломов, при этом простейшей фигурой, которую они образуют, будет являться тетраэдр.

Такая схема позволяет оценивать изменения во времени деформаций (напряжений) не в какой-то плоскости, а на глубине ^ характеризующей центр тяжести этого построения.

Закрепление трех стабильных пунктов ГДП проводится в условно-стабильном блоке земной коры.

Закрепление пунктов сети ГДП предлагается проводить кустами с подземными центрами разной глубины заложения с датчиками для регистрации температуры, что позволить иметь более конкретную информацию о количественных характеристиках движений и деформаций разных структур, что в настоящее время не используется в традиционных технологиях.

Основным критерием при регистрации кинематики блоков земной коры, гравитационного и теплового полей при исследовании закономерностей МДП блоков земной коры является точность, необходимая для выявления медленных скоростей деформаций земной коры, не приводящих к проявлению геодинамических явлений.

Средние квадратические погрешности высокоточных комплексных наземных или спутниковых наблюдений на ГДП т, необходимые для выявления медленных скоростей деформаций земной коры V Е [1М 0 ], не приводящих к проявлению геодинамических явлений, зависят от периода времени проведения исследований 1М: 0 , вида наблюдений А, геометрии

блоков (построений) Ь и имеют общий вид:

т<Г

Проведение данных наблюдений выполняется комплексом наземных и космических средств - это минимум взаимно обусловленных высокоточных геодезических и геофизических методов и приборов, обеспечивающий корректность приведения результатов наблюдений к одной системе координат

и эпохе при высокой степени автоматизации и оперативности. Данный комплекс высокоточных повторных наблюдений на ГДП (наземных, подземных и спутниковых) обеспечивает полноту информации, которая характеризует достаточность и эффективность её использования.

Эффективность информации, полученной при мониторинге, заключена в минимуме комплексных наблюдений, которые обеспечивают корректность приведения к одной системе координат и эпохе при определении, анализе и прогнозе параметров МДП блочного массива горных пород месторождения.

Математическая обработка информации обусловлена её оценкой и прогнозом в основу, которого положено зонирование блоков земной коры по степени опасности развития МДП. Для поведения данного зонирования авторами обоснован классификационный признак.

Выполненный автором анализ геомеханического обеспечения открытой, подземной и строительной геотехнологии показывает, что основным параметром напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород является тензор деформаций (напряжений), а при оценке опасности динамических явлений в шахтах и рудниках оценивается энергетический баланс [1].

Поэтому предложено принять в качестве признака изменения во времени компонентов деформации блока земной коры, позволяющие последовательно определять изменения во времени напряжений и потенциальной энергии деформирования, что характеризует интегральность данного параметра.

Динамические параметры блочного массива горных пород месторождения характеризуют изменения во времени напряжений (деформаций) и потенциальной энергии, обусловливающие его кинематику, и определяются последовательно в четыре этапа по программе “ВМ” для ПЭВМ:

- На первом этапе - изменения во времени деформации структурно ориентированных построений ГДП;

- На втором этапе - соответствующие изменения во времени напряжений;

- На третьем этапе - оценка точности;

- На четвертом - изменения во времени потенциальной энергии.

При проведении зонирования блоков земной коры по степени опасности МДП предлагается следующая классификация, включающая четыре степени опасности [2]:

- 1-я - геодинамически неактивный блок земной коры;

- П-я - геодинамически активный блок земной коры (ГАБ);

- 111-я - геодинамически активный блок земной коры, в котором формируется очаг геодинамического явления (ГДЯ), потенциально удароопасный при подземной геотехнологии освоения недр;

- 1У-я - геодинамически активный блок земной коры, в котором произошло проявление ГДЯ.

Общий вид критерия зонирования предложен на основе выполнения условия

Уе,, [Мп]>кУе„ [Нп],

где Уе„ [М0] - скорости деформации земной коры, не приводящие к проявлению геодинамических явлений (1 * 10 6 в год); к - коэффициент.

Степень опасности развития МДП блока земной коры устанавливается по величине скоростей компонентов изменения во времени деформаций блока земной коры с помощью табл. 1.

Таблица 1. Степень опасности развития МДП блока земной коры от скорости

компонентов изменения во времени деформаций

Степень опасности Скорости компонентов изменения во времени деформаций, в год

I Менее 3-10 6

II Более 3-10 6

III 1,21 -10-4

IV Более 1,21 -10-4

При установлении П-ой степени опасности определяется:

- Тип геодинамической ситуации;

- Контроль изменений во времени ориентирования главных осей деформаций (напряжений) блочного массива горных пород в районе месторождения.

В выделенных ГАБ месторождения при открытой и комбинированной геотехнологии его освоения проводится исследование формирования очага геодинамического явления, а при подземной - оценка потенциальной удароопасности.

Такой подход позволяет целенаправить исследования развития МДП блоков земной коры месторождения и применить типовые меры профилактики: системы разработки, порядок отработки, раскрой шахтных полей, ориентирование направлений капитальных горных выработок и их форму.

Для прогноза опасности развития МДП блоков земной коры с проявлениями ГДЯ разрушительного характера предложена оценка риска данного проявления.

Для определения данных коэффициентов формируются интегральные коды по показателям опасности и уязвимости, которые обеспечивают возможность управления степенью риска проявления ГДЯ разрушительного характера путем реализации соответствующих профилактических мер.

Разработанная оценка риска проявления ГДЯ разрушительного характера позволяет установить возможный ущерб, что обеспечивает обоснование экономической эффективности предложенного мониторинга.

1. Соловицкий, А. Н. Интегральный метод контроля напряженного состояния блочного массива горных пород [Текст] / А. Н. Соловицкий. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2003. - 260 с.

2. Соловицкий, А.Н. Зонирование блочного массива горных пород месторождения - основа предупреждения развития природных и техногенных геодинамических процессов катастрофического характера [Текст] / А. Н. Соловицкий // Современные проблемы экологии и природопользования: теоретические и практические аспекты: Материалы Международной научно-практической конференции. - Кемерово, 2009. - С. 70-73.

© А.Н. Соловицкий, 2010