Организация деформационного мониторинга земной поверхности Узельгинского и Талганского месторождений

Организация деформационного мониторинга земной поверхности Узельгинского и Талганского месторождений*

АА Панжин, канд. техн. наук, ученый секретарь, ИГД УрО РАН, А.Д. Сашурин, д-р техн. наук, проф. ИГД УрО РАН, НА Панжина, мл. научн. сотр., ИГД УрО РАН, Е.Ю. Ефремов, мл. науч. сотр., ИГД УрО РАН_

На Узельгинском меднорудном месторождении инструментальные наблюдения, организованные в период 1994-1996 гг. были направлены на изучение параметров процесса сдвижения, с целью охраны земной поверхности, зданий и сооружений от вредного влияния подземных горных работ. Для этой цели была оборудована наблюдательная станция, включающая профильные линии, заложенные на земной поверхности и в шахте, а также стеновые реперы, заложенные в сооружениях промплощадки шахты и поселка Александровский. На Талганском меднорудном месторождении, расположенном в полутора километрах от Узельгинского и вовлеченном в разработку позже, наблюдательная станция на земной поверхности была оборудована в 2005 г. Основным объектом охраны на территории отработки является вышка телевизионного ретранслятора.

Ключевым подходом к исследованию процесса сдвижения земной поверхности и охране объектов, попадающих в область вредного влияния горных разработок, являются организация и проведение инструментальных измерений в мониторинговом режиме [1]. По результатам очередной серии измерений и сравнения их с результатами предыдущих серий можно судить о процессе деформирования массива горных пород. При этом важным дополнением к инструментальным измерениям служит визуальный осмотр объектов охраны и земной поверхности, в случаях, когда деформации заметны невооруженным взглядом [2]. Обычно подобные явления сопровождают интенсивные стадии процесса сдвижения.

До 2013 г. программа инструментальных маркшейдерских измерений на обоих месторождениях включала только нивелирование реперов наблюдательной станции в породном массиве и на земной поверхности с определением величин их оседаний. Начиная с 2013 г. мониторинг процесса сдвижения на месторождении проводится специалистами Института горного дела УрО РАН, в это время была обоснована необходимость проведения комплексного мониторинга сдвижения земной поверхности с определением как вертикальных, так и горизонтальных смещений в соответствии с нормативными документами [3].

Отработка и Узельгинского, и Талганского месторождений производится подземным способом системами разработки с применением твердеющей закладки, поэтому сопровождается плавным развитием деформационных процессов в массиве, без формирования зон обрушения и воронко-образования. Тем не менее для обеспечения безопасности зданий и сооружений, расположенных в мульде сдвижения, от влияния подземных горных работ необходима организация периодических инструментальных наблюдений по ре-

* Исследования выполнены в рамках проекта № 15-10-5-12 «Разработка инновационной технологии диагностики состояния геологической среды и построение модели воздействия геомеханических процессов и явлений среды на техногенные объекты недропользования» (Комплексная программа фундаментальных исследований УрО РАН на 2015-2017 гг.).

перам наблюдательной станции. Поскольку в геологическом строении месторождения значительную роль играют тектонические разломы, проходящие через весь разрез рудного поля, они во многом определяют современную геодинамическую активность территории. В связи с этим методика инструментального мониторинга включает работы по исследованию современной геодинамики на различных пространственно-временных базах, вызванной совместным влиянием естественных и техногенных геодинамических факторов [4].

Рис. 1 План наблюдательной станции на земной поверхности

По состоянию на конец 2015 г., наземная наблюдательная станция Узельгинского месторождения (рис. 1) состояла из пяти профильных линий, включающих более 130 грунтовых реперов. Более 60 стеновых реперов были заложены в конструктивных элементах зданий и сооружений промплощад-ки рудника и поселка Александровский, попадающих в зону влияния горных работ. На 17 грунтовых реперах проводятся регулярные переопределения координат методом спутниковой геодезии с целью исследования трендовых и цикличных геодинамических движений. Наблюдательная станция Талганского месторождения, претерпевшая несколько реконструкций и расширений, на сегодняшний день представляет собой три профильные линии различной длины с количеством пунктов от 6 до 17 (рис. 2), 5 пунктов переопределяются с помощью ГНСС.

Рис. 2 Схема наблюдательной станции Талганского месторождения

Программа инструментальных наблюдений включает определение высотных отметок реперов наблюдательной станции, заложенных на земной поверхности и в горных выработках, промеры длин линий между реперами наблюдательной станции на земной поверхности, в том числе промеры длин линий между стеновыми реперами в зданиях и сооружениях промплощадки, пространственное координирование ряда реперов наблюдательной станции с использованием комплекса спутниковой геодезии и выполнение специальных работ по диагностике геодинамической активности исследуемой территории. Также в ходе выполнения работ проводится оценка деформационного состояния зданий и сооружений по результатам визуального осмотра.

В результате инструментальных наблюдений по профильным линиям наблюдательной станции в вертикальной плоскости определяются величины оседаний реперов, деформации наклона и скорости приращения наклонов, при необходимости - радиус кривизны. В горизонтальной плоскости определяются горизонтальные деформации растяжения-сжатия и их скорости. Результаты измерений представляются в табличном виде - как суммарные деформации за весь период наблюдений и между отдельными сериями измерений, а также в виде графиков.

В целом, для условий обоих месторождений установлено, что величины горизонтальных и вертикальных деформаций, зафиксированные на профильных линиях, как правило, не превышают допустимых значений для зданий и сооружений I категории охраны. Повышенные величины деформаций на отдельных реперах в основном связаны с их повреждением. Фиксируется дискретный характер деформирования породного массива с разнонаправленными величинами горизонтальных и вертикальных деформаций. На ряде профильных линий отмечается формирование мульды оседа-

ний, связанной с отработкой рудных тел Узельгинского месторождения. Таким образом, установлено, что подземные горные работы в настоящее время оказывают значительное влияние на состояние земной поверхности, при этом за счет закладки выработанного пространства характер процесса сдвижения носит плавный характер, а вертикальные и горизонтальные деформации при этом - незначительны.

На Талганском месторождении результаты мониторинга демонстрируют, что земная поверхность в ходе его отработки за весь срок проведения горных работ подвержена небольшим изменениям. Полученные величины оседаний большей части реперов находятся в пределах точности нивелирования или лишь немного превышают ее. Величины изменений высотных положений демонстрируют плавные деформации, что соответствует системе отработки с закладкой выработанного пространства. Анализируя картину вертикального сдвижения, следует отметить холмистый рельеф земной поверхности и значительный перепад высот между концами профильных линий, что вносит свой вклад в точность определения высотных отметок. Сопоставляя это с тем, что наблюдаемые в течение длительного времени оседания немного превышают уровень точности определения, можно заключить, что массив вмещающих пород находится в стабильном состоянии.

Для мониторинга состояния элементов конструкции охраняемых зданий и сооружений организованы инструментальные наблюдения по стенным реперам, закладываемым по периметру наблюдаемых объектов. Программой инструментальных наблюдений на станции при подработке зданий на территории промплощадки производится нивелирование стеновых реперов и измерение горизонтальных расстояний между ними.

В 2014 г. в ходе выполнения мониторинговых измерений зафиксирован мозаичный характер распределения деформаций по территории промплощадки с формированием двух обособленных зон вертикальных сдвижений - оседаний в южной части и поднятиями - в северо-западной, вызванный дискретным деформированием породного массива (рис. 3), который по результатам измерений 2015 г. не проявился. В настоящее время градиенты вертикальных деформаций на территории промплощадки невелики, но обосновано, что в дальнейшем необходимо обращать особое внимание на характер формирования поля деформаций в районе промплощадки шахты с контролем за развитием высокоградиентных зон.

В 2014-2015 гг. между рядом стеновых реперов промпло-щадки были выполнены промеры интервалов и определены

Рис. 3

Изолинии оседаний стеновых реперов промплощадки шахты

горизонтальные деформации, зафиксированные величины которых не превышают 1—1,510-3, в основном находясь в диапазоне до

1—0,510-3, что не может привести к нарушению охраняемых объектов. Однако нельзя исключать накопление величин деформаций во времени. Вертикальное сдвижение реперов опоры ретранслятора на Талганском месторождении составляет 2 мм. Разница между оседаниями реперов находится в пределах 1 мм, что соответствует деформациям наклона основания башни 0.1910-3. Данные деформации незначительны, составляют не более 10 % от допустимых деформаций [3] для сооружений связи высотой менее 50 м.

В ходе выполнения мониторинговых инструментальных наблюдений на земной поверхности проводилась оценка геодинамической активности территории по результатам GPS измерений. Экспериментальными исследованиями ИГД УрО РАН выявлены два вида современных геодинамических движений - трендовые (криповые) и цикличные. Трендовые движения в виде взаимных подвижек соседних структурных блоков массива горных пород с относительно постоянными скоростью и направлением в течение продолжительного промежутка времени, сопоставимого со сроком службы объекта. Цикличные движения носят полигармонический характер и слагаются из многочисленных знакопеременных движений с разными частотами и амплитудами перемещения в циклах. Трендовые движения могут иметь как естественную природу, обусловленную тектоническими подвижками по границам структурных блоков, так и техногенную, обусловленную перераспределением напряжений и деформаций в породном массиве под воздействием горных работ, откачки подземных вод и других факторов [5]. Короткопериодные цикличные движения имеют широкий полигармоничный спектр частот с продолжительностью циклов от 30-60 с до 1 ч, нескольких часов, суток и более.

Исследования короткопериодной геодинамики массива на Узельгинском месторождении производились в 2013 и 2014 гг. путем неоднократного измерения приращения координат интервалов ряда пунктов геодинамического полигона. Тогда же был установлен неравномерный характер распределения величин короткопериодных движений массива, и на исследуемом участке зафиксированы высокие значения амплитуд цикличных геодинамических движений. Выявлена высокая вариативность цикличных геодинамических движений в горизонтальной плоскости, компоненты AN (север-юг) и AE (запад-восток) в зависимости от серии наблюдений. Были установлены преобладающие частоты короткопериод-ных цикличных движений, которые определялись путем проведения анализа Фурье пространственно-временных рядов смещений по осям координат. Были зафиксированы преобладающие частоты цикличных движений с гармониками средней и средней энергетики, соответствующие периоду 20 и 40 мин. Также четко выражена 120-минутная составляющая.

При проведении последующих серий инструментальных измерений основной упор был сделан на оценку геодинамической активности пород-

ного массива, выраженной в виде трендовых (криповых) подвижек. Трендовые движения определяются на основе анализа изменений пространственных приращений координат (векторов) AX, AY, AZ между пунктами геодезических сетей или реперов наблюдательных станций, выполненными в промежутках между повторными циклами измерений. Использование комплексов спутниковой геодезии GPS и GLONASS позволяет определять сдвижения между пунктами мониторинговой геодинамической сети с точностью до 1-3 мм в разовом режиме, при долговременных непрерывных мониторинговых измерениях достигается точность до 0,1 мм/год. Полученные в результате инструментальных наблюдений деформации интервалов с использованием математического аппарата механики сплошной среды могут быть преобразованы в тензорное представление деформационного поля с выделением главных компонентов тензора деформаций по методикам, приведенным в [6-7].

В случае если необходимо определение величин и направлений векторов трендовых движений, геодезическая привязка опорных реперов наблюдательной станции и их абсолютное позиционирование осуществляются от пунктов глобальной сети IGS, пространственное положение которых определяется в динамической системе координат ITRF [8].

На исследуемом участке расположен ряд пунктов геодезической сети координаты которых были определены в 1989 г. (рис. 1). Пункты «Южный», «Александровский», «Центральный», 7281, 7833, 2629, 7916 находятся либо в пределах границ ожидаемой общей зоны влияния горных работ, либо в ее непосредственной близости. Пункт «Табанда» расположен вне области влияния горных работ Узельгинского месторождения. Кроме указанных пунктов геодезической сети выполнялось координирование ряда реперов наблюдательной станции.

Методика полевых работ включала координирование пунктов геодезической сети и реперов наблюдательной станции от исходного пункта - «Табанда», исходные координаты которого были определены в 1988 г.

Для исследования собственных геодинамических движений исходного пункта триангуляции «Табанда», на который центрируются геодезические построения при исследовании

Рис. 4

Схема расположения постоянно действующих GPS-ГЛОНАС станций района Учалинского и Талганского месторождений

СHKING

linmUESTUHE

ООО "ЕРТ-Групп"

620017, г. Екатеринбург, Космонавтов пр-кт, Д.46А, офис 1 тел.; +7 (343) 385-00-10, 385-00-34 факс: +7 (343)21141-05 эл.почта: ert@ert-group.ru

ШШ I; .

iMíTl

L

¡и

1. \

БУРОВЫЕ УСТАНОВКИ

Для любых проектов, для любых условий:

♦ бурение методом РС (обратной циркуляции) » бурениегна воду

♦ колонковое бурение

Многофукциональные установки : РС+колонковое бурение

Переоборудование имеющихся буровых установок под метод РС Расчет и поставка инструмента и расходных материалов для ВС

Подбор модели, запуск, сервис, гарантия Надёжные в работе, простые в обслуживании

* Производство Южная Корея

drill rig

ii a .-j i—ri

1 и M

Л Н

л* /',

Официальный дистрибьютор Deseo Drilling - ООО «ДКС» Россия, г, Санкт-Петербург, тел: +7 (812) 407 1740 www,dks-tech,ru, email: dks_tech@mail.ru

Филиал в Казахстане ТОО «OuantumMax Ltd» г, Алматы, +7 (727) 341 0740 www.quantummax.kz, email: info@quantummax.kz

процесса сдвижения на Узельгинском, Талганском и Западно-Озерском месторождениях, была решена задача с использованием данных, полученных постоянно действующими GPS-ГЛОНАС станциями, ближайшими из которых являются станции, расположенные в городах Учалы, Белорецк и Магнитогорск (рис. 4), владельцы которых предоставили специалистам ИГД УрО РАН необходимые данные.

Геодезическая привязка указанных постоянно действующих GPS-ГЛОНАС станций района Учалинского и Талганского месторождений осуществлялась к пунктам глобальной сети IGS с использованием программного обеспечения Bernese Software. Для привязки постоянно действующих GPS-ГЛОНАС станций UTCH, MAGN, GU44 и GU48 использовались длительные серии от 8 до 10 суток непрерывных измерений, поскольку длины векторов до ближайших IGS станций превышают 1000 км. На втором этапе пункт «Табанды» встраивался уже в существующие геодезические построения.

В результате выполнения данного этапа работ были определены собственные движения пункта «Табанда», которые были учтены при выполнении геодезических измерений в мульде сдвижения Узельгинского и Талганского месторождений. На этом же этапе выполнялись анализ собственных движений опорных пунктов сети и идентификация результатов геодинамических наблюдений [8-9]. На последующем этапе осуществлялось координирование реперов наблюдательной станции, расположенных в мульде сдвижения обоих месторождений и на прилегающем массиве. Наиболее полно представлены измерения, за период октябрь 2014 - октябрь 2015 г. По трем выполненным сериям инструментальных измерений определены векторы полных сдвижений реперов наблюдательной станции.

В результате было установлено, что векторы сдвижений имеют небольшие величины, за период октябрь 2014 - октябрь 2015 г. они в основном не превышают 10 мм. Несколько выше величины сдвижений, полученные в период июнь 2015 - октябрь 2015 г., которые достигают 20 мм по обеим осям координат. Характер сдвижения реперов различный, хотя в большинстве случаев наблюдается как согласованное направление векторов, в основном в центральной части мульды сдвижения, так и различающееся по азимуту. Причем в северной, западной и восточной частях исследуемого участка угол между векторами примерно равен 90°, в южной части наблюдается разнонаправленное движение реперов.

В целом, как и в подземных выработках, сдвижение реперов на земной поверхности происходит неравномерно, на небольших временных интервалах (5 месяцев) скорость перемещений высока, однако она стабилизируется при увеличении временного интервала, что связано как с особенностями дискретного деформирования блочного массива горных пород, так и периодическими изменениями напряженно-деформированного состояния массива [10].

Дискретно-мозаичный характер деформирования массива также подтверждается на графиках главных горизонтальных деформаций участка Ei + е2, один из которых приведен на рис. 5 в виде тензоров, построенных с использованием опубликованной методики [11]. Обращают на себя внимание величины деформаций, которые, несмотря на почти в два раза различающиеся величины векторов сдвижений, практически одинаковы для соседних измерений, что обусловлено во многом согласованным направлением взаимного действия векторов сдвижений, кроме этого, четко выделяются области повышенных деформаций сжатия. Также наблюдается дискретно-мозаичный характер деформирова-

Рис. 5 Главные горизонтальные деформации е1 + е2

ния массива, области горизонтальных сжатий перемежаются с областями разгрузок. Также проанализирован характер распределения деформаций сдвига, которые, несмотря на визуально схожий характер пространственного распределения, отличаются между сериями в два раза, что подтверждает высказанное выше предположение о том, что согласованные по направлению взаимного действия векторы сдвижений на Узельгинском месторождении реализуются в основном не в виде деформаций растяжения-сжатия, а преимущественно в виде деформаций сдвига.

В результате проведенной оценки геодинамической активности территории по результатам GPS измерений были определены векторы горизонтальных сдвижений реперов наблюдательной станции, построены графики деформаций растяжения-сжатия и сдвиговых деформаций, установлен дискретно-мозаичный характер деформирования массива. Таким образом, предложенная специалистами ИГД УрО РАН схема наблюдательной станции для выполнения геодинамического мониторинга сдвижений земной поверхности Узельгинского и Талганского месторождений в настоящее время полностью удовлетворяет требованию нормативного документа [3], регламентирующего инструментальные наблюдения за процессом сдвижения горных пород и земной поверхности при разработке месторождений подземным способом.

В результате проведенной оценки геодинамической активности территории по результатам GPS измерений были определены векторы горизонтальных сдвижений реперов наблюдательной станции, построены графики деформаций растяжения-сжатия и сдвиговых деформаций, установлен дискретно-мозаичный характер деформирования массива. Установлено, что подвижки массива на малых временных промежутках реализуются в основном в виде сдвиговых деформаций, на больших временных базах скорость подвижек стабилизируется.

Прогнозируется, что отработка Узельгинского месторождения с применением твердеющей закладки в дальней-

шем вызовет плавное развитие деформационных процессов сдвижения и образование на земной поверхности мульды сдвижения с деформациями, не превышающими допустимых для зданий и сооружений I категории охраны. Однако в реальном породном массиве, имеющем иерархически-блочное строение, не исключается формирование зон повышенных деформаций, вызванных процессами деструкции и самоорганизации. Реализация сдвижений в виде сдвиговых деформаций при встречном и согласованном направлении векторов перемещений будет способствовать возможности реализации подобного сценария, особенно в центральной и прилегающей к ней частях мульды сдвижения.

Многолетние наблюдения за процессоами на Талганском месторождении также показывают плавный характер сдвижения. Относительные взаимные перемещения пунктов наблюдательной станции минимальны, векторы перемещения сонаправлены. Сдвижения вдоль тектонических разломов, проходящих через месторождения, не выявлены. С точки зрения современной геодинамической активности, вмещающие породы Талганского месторождения ведут себя как единый блок, не разбитый на более мелкие структурные единицы. Максимальные смещения невелики, но тем не менее заметны, выявляются на локальном уровне, связаны с очистными работами, проводящимися на верхних горизонтах. На основании вышеизложенного можно предположить, что и в дальнейшем сдвижение пород будет проходить плавно, без серьезного ущерба для охраняемых объектов.

Принятая методика инструментальных наблюдений, включающая нивелировку по профильным линиям на земной поверхности и в массиве горных пород, определение горизонтальных деформаций по профильным линиям, нивелировку

по стеновым реперам охраняемых зданий, промеры горизонтальных проложений между стеновыми реперами, определение векторов горизонтальных сдвижений по площадной наблюдательной станции, в комплексе позволяет осуществлять контроль за развитием процесса сдвижения и за сохранностью зданий и сооружений на высоком научно-техническом уровне, гарантируя геомеханическую безопасность отработки Узельгинского и Талганского месторождений.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:_

1. Панжин A.A. Пространственно-временной геодинамический мониторинг на объектах недропользования// Горный журнал. - 2012. - № 1. - С.39-43.

2. Панжин A.A., Панжина H.A. Об особенностях проведения геодинамического мониторинга при разработке месторождений полезных ископаемых Урала с использованием комплексов спутниковой геодезии // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2012. - № 6. - С.46-55.

3. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений: утв. Госгортехнадзором СССР 03.07.1986.

- М: Недра, 1988. - 112 с.

4. Ручкин В.И., Коновалова Ю.П. Изменение напряженно-деформированного состояния геологической среды под воздействием комплекса естественных и техногенных геодинамических факторов на горнодобывающих предприятиях// Проблемы недропользования. - 2015.

- № 1(4). - С.32-37.

5. Ручкин В.И., Желтышева О.Д. Влияние техногенной нагрузки на динамику напряженно-деформированного состояния массива горных пород // Проблемы недропользования.

- 2015. - № 1(4). - С.26-31.

6. Ефремов ЕЮ., Желтышева О.Д. Метод определения напряжений на протяженных участках массива горных пород // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. -2013. - № 7. - С.34-39.

7. Сашурин АД., Балек A.E. Совершенствование методики натурных замеров напряженно-деформированного состояния больших участков горного массива // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. - 2014. - № 11. - С.105-120.

8. Панжин A.A. Решение проблемы выбора опорных реперов при исследовании процесса сдвижения на объектах недропользования // Маркшейдерия и недропользование. - 2012. - № 2. - С.51-54.

9. Кузьмин Ю.О. Aктуальные проблемы идентификации результатов наблюдений в современной геодинамике// Физика Земли. - 2014. - № 5. - С.51-64.

10. Зубков A.B. Периодическое расширение и сжатие Земли как вероятный механизм природных катаклизмов // Литосфера. - 2013. - № 2. - С.145-156.

11. Панжин A.A., Мазуров Б.Т., Силаева A.A. Визуализация характеристик деформационных полей по данным геодезических наблюдений // Проблемы недропользования. - 2015.

- № 3(6). - С.13-18.

Уральский завод футеровочных резиновых технических изделий

Конструкторское бюро Сервисная служба Монтаж любой сложности

г. Екатеринбург ул. Монтерская, 3 +7(343)221-54-82 ,

mail@uralfrti.ru

1

www.uralfrti.ru

ШЫ

\

Основная продукция

Футеровки мельниц: резиновая, резиномагнитная, резинокерамическая, резинометаллическая

Разгрузочные элеваторы, разгрузочные решетки, камеры домола, перегородки, бутары, резиновые просеивающие поверхности

Футеровка лопастей спиралей классификаторов, футеровочные плиты, обрезиненные узлы