Зависимость динамики напряженнодеформированного состояния геологической среды от техногенного воздействия на естественное тектоническое состояние массива горных пород на горнодобывающих предприятиях

© В.И. Ручкин, Ю.П. Коновалова, 2016

УДК 622.83

В.И. Ручкин, Ю.П. Коновалова

ЗАВИСИМОСТЬ ДИНАМИКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ОТ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЕСТЕСТВЕННОЕ ТЕКТОНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД НА ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Изложена методика контроля напряженного состояния массива горных пород на основе инструментального геодинамического анализа. Кратко описан геодинамический анализ, связанный с изучением полей напряжений в массиве горных пород при совместном влиянии естественных и техногенных геодинамических процессов. Показано влияние старых «затухших» зон сдвижения на активную изменчивость напряженно-деформированного состояния геологической среды под воздействием современного техногенного динамического процесса. Методика проведения геодинамического анализа качественно изменяет подход к организации инструментальных наблюдений на горнодобывающих предприятиях по контролю за напряженно- деформированным состоянием массива горных пород.

Ключевые слова: массив горных пород, рудное тело, наблюдательная станция, геодинамический полигон, зона сдвижения, тектоническое нарушение, напряженно-деформированное состояние.

Геологическая среда это та субстанция, которая сформирована природой, и определить все ее свойства до начала ведения каких-либо горных работ, связанных с проникновением вглубь этой среды, невозможно в отличие от техногенных материалов, созданных человеком, которые перед началом своей эксплуатации имеют четкий технологический паспорт.

Как известно, для любого предприятия, проводящего любые крупномасштабные работы в естественном массиве горных пород, существует проект отработки по результатам геологического отчета, данные которого не могут дать идеального представления о состоянии геологической среды. Особенно это касается тектонической изученности рассматриваемого района. Незнание данного фактора приводит к ошибочному заданию прочностных деформационных характеристик при расчетах устойчивости охраняемых объектов, попадающих в зону влияния горных работ. Кроме того данная зона может превышать расчетную величину зоны влияния горных работ, что не может быть определено ни из проекта отработки ни из геологических отчетов. Таким образом, более полное изучение свойств массива возможно только с помощью натурных наблюдений, позволяющих своевременно предотвратить как тяжелые экономические последствия, так и человеческие жертвы. Развитие горной добычи предприятий, потребляющих ресурсы из подземных недр, так и строительство в них разного рода хранилищ приводит к проблеме изучения напряженно-деформационных свойств геологической среды.

В недалеком прошлом данная проблема решалась трудоемкими методами исследования (тензометрическими датчиками, щелевой разгрузкой и т. д.) [1, 2] и только на набольших участках. В последнее время с появлением GPS-технологий появилась возможность изучения напряженно-деформированного состояния (НДС) массива на участках, превышающих размеры рудного поля. Данная методика была разработана ИГД МЧМ СССР [2] на основе величин горизонтальных деформаций, а с появлением спутниковой геодезии изучение данной проблемы было поставлено на более масштабный уровень. В настоящее время данная методика в изучении НДС массива и его динамики в режиме мониторинга используется ИГД УрО РАН на горнорудных предприятиях [3—7].

В данной статье рассматривается одно из горнодобывающих предприятий Свердловской области — г. Краснотурьинск, шахта «Северопесчанская». Данной шахтой помимо основной рудоносной залежи отрабатывается и рудное тело № 1 Южной залежи. Перед началом отработки данной залежи был выполнен расчет о состоянии дневной поверхности [8] на момент отработки всего рудного тела. Данные расчета показали, что дневная поверхность при отработке всего тела № 1 не подвергнется сдвижению, а коэффициент устойчивости составит 1,6.

В горном массиве над выработанным пространством образуется куполообразный свод обрушения вышележащих пород, который локализуется, не достигая границы контакта, и образует потолочину из нетронутого горного массива 150,7 м. Следовательно, из расчетов следовало, что поверхность будет находиться в устойчивом состоянии и не подвергнется опасным деформациям, и соответственно, охраняемым объектам — вне-категорийному объекту действующая автодорога местного значения, и водопроводу III категории охраны — будущий процесс сдвижения не представляется опасным. Однако согласно Инструкции [9] предприятию было рекомендовано организовать инструментальный контроль за развитием процесса сдвижения и состоянием автодороги в виде наблюдательной станции.

Рудное тело № 1 начали отрабатывать в 2009—2010 гг. И лишь когда после выпуска только одной камеры воронка обрушения вышла на дневную поверхность, была в декабре 2010 г. оборудована наблюдательная станция (рис. 1). Инструментальные наблюдения проводились с периодичностью 2 раза в год, как традиционными методами, так и с использованием спутниковых методов. При выполнении уже первых серий наблюдений и обработки результатов были выявлены все зоны, которые характеризуют активное развитие процесса сдвижения, происходящего в геологической среде. В дальнейшем, эпицентр зоны обрушения, который хорошо виден на рис. 1, только расширялся, соответственно и расширялись зоны, характеризующие незатухающий процесс его развития. Деформации и границы зон сдвижения определялись традиционными геодезическими методами. Одновременно с установлением наблюдательной станции был заложен геодинамический полигон, где часть реперов располагалась за границей расчетной мульды сдвижения при отработке всего рудного тело № 1. Так же в этом полигоне была задействована часть реперов наблюдательной станции.

В итоге за 4 года инструментальных наблюдений выполнено шесть серий, по результатам которых было установлено, что фактическая зона мульды сдвижения при неполной отработке рудного тела № 1 превышает расчетную величину при условии отработки всего рудного тела.

Сеть реперов полигона дает информацию о состояния геологической среды и ее изменчивости во времени под воздействием реальных техногенных (комплекс горных работ) и тектонических факторов. В центре фактической зоны обрушения располагается узел тектонических неоднородностей. Из ре-

т

Условные обозначения:

- пункты GPS - наблюдений;

- - реперы профильной линии; Н

- рудное тело;

- очистные блоки на момнт оборудования наблюдательной станции в 2010 г;

- - ожидаемая граница мульды сдвижения

на конец отработки Южной залежи; т - граница зоны обрушения; - тектонические нарушения Poiyna

Горизонтальный масштаб: Ом 150 м 300 м

Рис. 1. План наблюдательной станции при отработке Южной залежи шахты «Северопесчанская»

Рис. 2. Фактическое состояние зоны обрушения и бывшей автодороги

зультатов GPS наблюдений по пунктам геодинамического полигона были установлены участки зон активного формирования НДС геологической среды, где кроме того наблюдается и знакопеременный характер их изменения от серии к серии. По имеющимся результатам спутниковых наблюдений были отстроены векторы горизонтальных сдвижений реперов полигона (рис. 3). Анализ направленности векторов сдвижения за все шесть периодов инструментальных наблюдений показывает, что массив можно разбить на три условных блока.

Центральный блок представлен тремя реперами геодинамического полигона (Lesoseka, Gora и Rp 25), векторы которых стремятся в сторону зоны обрушения. Особенно это прослеживается по пункту Lesoseka, за исключением второго и третьего периода наблюдений, когда векторы имели незначительные отклонения и небольшую величину. Это вероятно связанно с тем, что на первых этапах образования зоны обрушения, массив испытал сильнейшее перераспределение напряженного состояния. Под воздействием техногенных факторов в ослабленном тектоническими нарушениями массиве наблюдается его саморегулирование, в дальнейшем по мере продвижения горных работ саморегулирование переходит в обыкновенный

Условные обозначения:

@ - пункты GPS - наблюдений; -рудное тело;

] - очистные блоки;

- ожидаемая граница мульды сдвижения на конец отработки Южной залежи; — — - фактическая граница мульды сдвижения;

------- граница зоны опасных деформаций;

......- граница зоны обрушения;

|—11—' -тектонические нарушения

Г

Горизонтальный масштаб: ^

Ом

150 м

300 м

30 мм

Рис. 3. Векторы горизонтальных сдвижений реперов геодинамического полигона

процесс нерегулируемого обрушения. На остальных пунктах данного блока наблюдается аналогичная картина, правда с некоторым отставанием по времени. На пункте Gora саморегулирование массива наблюдается даже и на последних этапах. Это объясняется тем, что данный пункт находится в стороне и на большем удалении от фронта горных работ и зоны обрушения. Таким образом, горизонтальное смещение массива данного блока имеет тенденцию к направлению в сторону отрабатываемого рудного тела.

Южный блок состоит из четырех опорных реперов (OR4,OR5, OR6 и OR7), которые находятся на «перешейке» между двумя мульдами сдвижения — одной, развивающейся от отработки Южной залежи, и второй мульды,«неразвивающейся» с неизвестными границами влияния, образованной от горных работ бывшей шахты «Новая». Этот блок также находится в границах геологических неоднородностей. Весь комплекс этих факторов не позволяет дать четкого представления происходящих в массиве процессов.

И наконец третий блок, северный, состоявший из четырех реперов на начальном этапе работ, в настоящее время представлен только тремя реперами. Часть пунктов — Rp 8, Кагег ORp 2 — находится в зоне тектонической неоднородности, а пункт Ро1упа — за ее границей. Реперы этого блока имеют хаотиче-

Соо§1е еаПЬ Зд Д

Рис. 4. Геомеханическая модель техногенных источников в окрестностях Южной залежи шахты «Северопесчанская»

ские циклические горизонтальные движения, которые можно рассматривать как непосредственное воздействие изменчивой величины приращения напряжения, носящего техногенный характер, на естественное тектоническое состояние массива горных пород.

При этом каждый блок представляет собой самостоятельный участок, позволяющий рассматривать горизонтальные движения массива, как участка со своей собственной «легендой» возникновения этих смещений.

Таким образом, проведенные инструментальные наблюдения на участке отработки Южной залежи, позволяют сделать вывод, что налегающая толща над рудным телом представляет собой «конгломерат» разного рода плоскостей ослабления. Сама залежь располагается между разветвлениями тектонических нарушений различного ранга, среди которых встречаются залеченные тектонические нарушения и, как следствие, такие участки массива горных пород пронизаны оперяющими зонами ослабления.

Кроме того данный регион представляет собой мощный горнодобывающий комплекс, с активным использованием буровзрывного способа добычи полезного ископаемого, где каждый взрыв можно представить как небольшое микроземлетрясение, в той или иной мере влияющее на общий тектонический фон данного участка, что отрицательно отражается на прочностных межблоковых связях.

Следовательно, многолетнее активное техногенное воздействие на массив горных пород данного региона, явилось причиной того, что залеченные зоны дробления под воздействием постоянно меняющегося НДС, вызванного перераспределением напряжений в массиве, находятся в движении и, тем самым, еще сильнее ослабляют массив. Геомеханическая модель техногенных источников, влияющих на состояние геологической среды в районе рудного тела № 1 Южной залежи, представлена на рис. 4.

Результаты спутниковых измерений дают наглядную картину циклической изменчивости массива горных пород исследуемых участков. Если на исследуемой территории наряду с геологической изученностью, физико-механическими свойствами пород, состоянием горных работ выявлены участки тектонических неоднородностей, то циклическую изменчивость массива горных пород можно подвести к логическому объяснению.

Таким образом, воздействие комплекса техногенных и тектонических факторов приводит к изменчивости НДС массива, а область влияния превышает размеры выработанного пространства.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кораблев А.А. Современные методы и приборы для изучения напряженного сосояния массива горных пород. — М.: Наука, 1969. — С. 127.

2. Ручкин В.И. Исследование поля напряжений в геологической среде на горнодобывающих предприятиях / Геомеханика в горном деле. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2009. - С. 117-122.

3. Ручкин В.И. Исследование динамики массива горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — № 11 — С. 213-224.

4. Ручкин В.И. Мониторинг за изменением напряженно-деформированного состояния массива горных пород на больших базах // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - № 4. -С. 202-206.

5. Ручкин В.И. Сдвижение горных пород при отработке Южной залежи Песчанской группы месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - № 11 - С. 273-212.

6. Драсков В.П. Обеспечение безопасности эксплуатации сооружений шахта на Сарановском месторождении хромитов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 6. - С. 309-316.

7. Усанов С.В. Геодинамические движения горного массива Высокогорского железорудного месторождения под воздействием сложного горнодобывающего комплекса / Proceedings of the X-th Jubilee national conference with international participation of the open and underwater mining of minerals.

8. Сашурин А.Д. Прогноз развития процесса сдвижения и положение границ зоны обрушения с целью минимизации размеров земельного отвода и оценки влияния горных работ на автодорогу и водопровод при отработке Южной залежи на шх. «Северопесчанская». Отчет о НИР. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2004. - С. 18.

9. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений. Утв. Госгортехнадзором СССР 3.07.1986. - М.: Недра, 1988. -С. 112. ЕИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ручкин Владимир Игоревич — научный сотрудник, e-mail: ruchkin@igd.uran.ru,

Коновалова Юлия Павловна — научный сотрудник,

e-mail: lisjul@mail.ru,

Институт горного дела УрО РАН.

UDC 622.83

V.I. Ruchkin, Yu.P. Konovalova

DEPENDENCE BETWEEN DYNAMICS OF THE INTENSE DEFORMED GEOLOGICAL ENVIRONMENT AND TECHNOGENIC IMPACT ON A NATURAL TECTONIC STATE OF ROCK MASSIF AT THE MINING ENTERPRISES

The technique of control of rock massif tension on the basis of the tool geodynamic analysis is stated. The geodynamic analysis connected with studying of fields of tension in the rock massif at joint influence of natural and technogenic geodynamic processes is briefly described. Influence of the old «faded» displacement zones on active variability of the intense deformed condition of the geological environment as a result of modern technogenic dynamic process is shown. The technique of carrying out the geodynamic analysis qualitatively changes approach to the organization of tool supervision for control of the intense deformed condition of rock massif at the mining enterprises.

Key words: rock massif, ore body, observing station, geodynamic ground, displacement zone, tectonic disturbance, the intense deformed state.

AUTHORS

Ruchkin V.I.1, Researcher, e-mail: ruchkin@igd.uran.ru, Konovalova Yu.P.1, Researcher, e-mail: lisjul@mail.ru, 1 Institute of Mining of Ural Branch of Russian Academy of Sciences, 620219, Ekaterinburg, Russia.

REFERENCES

1. Korablev A.A. Sovremennye metody i pribory dlya izucheniya napryazhennogo sosoy-aniya massiva gornykh porod (Modern methods and instruments of stress state investigation in rocks), Moscow, Nauka, 1969, pp. 127.

2. Ruchkin V.I. Issledovanie polya napryazheniy v geologicheskoy srede na gornodo-byvayushchikh predpriyatiyakh. Geomekhanika v gornom dele (Analysis of stress field in geological medium in mines. Geomechanics in mining), Ekaterinburg, IGD UrO RAN, 2009, pp. 117-122.

3. Ruchkin VI. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2011, no 11, pp. 213-224.

4. Ruchkin V.I. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2008, no 4, pp. 202-206.

5. Ruchkin VI. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2011, no 11, pp. 273-212.

6. Draskov V.P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2010, no 6, pp. 309-316.

7. Usanov S.V. Proceedings of the X-th Jubilee national conference with international participation of the open and underwater mining of minerals.

8. Sashurin A.D. Prognoz razvitiya protsessa sdvizheniya i polozhenie granits zony obrusheniya s tsel'yu minimizatsii razmerov zemel'nogo otvoda i otsenki vliyaniya gornykh rabot na avtodorogu i vodoprovod pri otrabotke Yuzhnoy zalezhi na shkh. «Severopeschan-skaya». Otchet o NIR (Prediction of subsidence and position of caving zone boundary to optimize sizing of land allotment and estimate of mining influence on roads and water pipelines at Yuzhnaya ore body in Severopeschanskaya Mine, R&D Report), Ekaterinburg, IGD UrO RAN, 2004, pp. 18.

9. Instruktsiya po nablyudeniyam z,a sdvizheniem gornykh porod i zemnoy poverkhnos-ti pri podzemnoy razrabotke rudnykh mestorozhdeniy. Utv. Gosgortekhnadzorom SSSR 3.07.1986 (Guidelines on monitoring of rock mass and ground subsidence in underground ore mining. Approved by the USSR State Service for Environmental, Industrial and Nuclear Supervision dated July 3, 1986), Moscow, Nedra, 1988, pp. 112.