Геодинамика недр. И.М. Петухов 1999г

И.М.Петухов И.М.Батуrина rt:ОАИНАМИКА HIEAP 2-е издание, переработанное и дополненное Москва ((НЕДРА КОММЮНИКЕЙШЕНС ЛТД» 1999 УДК 622.83 П31 ОГЛАВЛЕНИЕ ПЕТУХОВ Игнатий Макарович, БАТУГИНА Ида Михайловна ГЕОДИНАМИКА НЕДР Научное издание 2-е издание, переработанное и дополненное Петухов И.М., Батуrина И.М. П31 Геодинамика недр. - коммюникейшенс ЛТД», 2-е изд. , перераб . и доп. - М . «Нед а .. р 1999. - 256 с . : ил . ISBN 5-85723-013-6 Изложены научные основы геодинамики недр и методы геодинами ческого районирования применительно к разработке твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых. р ассм отрены перспективы развития V этой новой науки о Земле для решения задач повыulенияv геодинамическои безопасности и эффективности освоения недр и земнои поверхности. ~о втором издании ( 1-е изд. - 1996) отражена методика геодинамическо1 о районирования океанического дна , уточнена природа горизонтфальных сил в земной коре с использованием теории литосферных плит, с ормулиро ваны перспективы решения задач геодинамики недр. V Для научных инженерно-технических работников горнодобывающеи промышленно сти' . Может быть полезна студентам горных вузов и факуль- тетов. Табл. 17 , илл. 125, список . лит. - 58 назв . УДК ISBN 5-85723-013-6 622.83 © И . М.Петухов, И.М.Батугина , 1996, 1999. © Оформление. SPSL, 1999. Предисловие ...................................................................... 5 Глава 1. Предмет и содержание геодинамики недр ........................ 9 Глава 2. О теории литосферных плит ....................................... 13 2.1. Общие понятия .............. : .... .............................................. 13 2.2. Об основах тектоники литосферных плит ............. ..... .... ........ 14 2.3. Границы литосферных плит .............................. ... .............. . 17 2.4. Внутриплитные тектонические процессы ............................... 22 2.5. Замечания к приведенному выше обзору ....... ............ ......... .. . 22 Глава 3. Предельно напряженное состояние массива горных пород 27 3.1. Особенности поведения массива горных пород в зонах предельно напряженного состояния ... ......... ... ... ... .. ..... ..... .. ......... ... .. ... 27 3.2. Разнообразие условий возникновения в массиве горных пород зон предельно напряженного состояния .... .... ...... .......... ......... 40 3.3. Некоторые обобщения ............. .......... ..... ...... ... ... ............ ... 55 Глава 4. Природа и величина горизонтальных сил в литосфере ..... 58 4.1. О геодинамике земной коры и литосферы .............. ... .. .... ....... 58 4.2. Природа горизонтальных сил в литосфере ............................. 63 4.3. Величина горизонтальных сил ............................................. 69 4.4. Влияние планетарных сил на состояние земной коры ............... 74 Глава 5. Оценка величин главных напряжений в литосфере ......... 87 5.1 . Формулирование граничных условий ........ ... ............. ............ 87 5.2. Схемы расчета главных напряжений ..................................... 89 5.3. К оценке напряженного состояния в литосфере .. ............. ....... . 95 5.4. Возможность использования и совершенствования разработанных методов оценки напряженного состояния в литосфере .. ... ....... 108 Глава 6. Паспорт прочности массива горных пород по глубине литосферы ...................................................................... 110 6.1 . Построение паспорта прочности на сдвиг ................... ... ........ 110 6.2. Исследование свойств горных пород в условиях , приближенных к натурным ..................................................................... 112 Глава 7. Геодинамическое районирование недр ......................... 117 7. l. Методологические основы и содержание метода геодинамического районирования недр .. ............................. .. .......... ..... .. .... ... 117 7 .2. Выделение блочной структуры массива горных пород ...... ....... 125 7.3. Выявление динамического взаимодействия блоков .. ..... .... ...... 133 7.4. Классификация участков зем н ой коры по напряженности и геод инамической опасности ............. ....... ... ..... .... ................... 138 7.5 . Оценка напряженного и газогидродинамического состояния массина горных пород ..... ...... ... ......... .. ............ .. .. .. ... ... ............. 149 155 7 6 Опыт применения метода геодинамического р айонирования недра 181 •8 Особенности геодинамическоrо раионир ования дна океан о к Тихому 8 .1. ·Особенности методических подх одов применительн ............... 181 океану . ••••••· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·~ ~·~~ ·металлоrе8.2. Геод инамическое районирование в целях изуч ........... 190 нии Мирового океана · · · .... · ·· .. · .... · ... · .. ............ · ... .. 200 ических явлении . ••• Глава 9. Природа и классификация rеодинам намических явле9. 1. Природа и энергетические особенности гео~~.. .. ...... ..... .. . ...... 200 ний ...... ... ........................ ....... ..... ... :,.. . .. 209 ПРЕДИСЛОВИЕ 9 2 Классификация rеод инамических явлении .......... .... .. .. .... . . . оянием массива горных Глава 10. Управление геодинамическим сост 215 пород при освоении недр и земной поверхности ............... : 215 10 1 Постановка вопроса ..... ..................... .................. ....... ... 216 10:2: При разработке твердых полезных ископаемых 235 10.3. При разработке нефтяных и газовых место:о::О~ов ~елезных 10 4 При проектировании и эксплуатации трубо р ' . 242 Проблемы геодинамической безопасности при освоении недр и · · до or и других линейных объектов ........ .... · · · · .. · ...... · ...... ~й земной поверхности решаются в настоящее время в России на основе 10.5. ... 243 и городов .. . :.. ••••· •· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 244 новой отрасли наук о Земле - геодинамики недр, представляющей со бой взаимодействие двух систем: природной и техногенной [42]. 10.6. При бурении глубоких и св~рхrлубоких скважаи.::Л~·~~~~~~·~~~ 10 7 Опыт применения микросеисмическоrо метод 247 Начиная с 1996 г. под руководством Академии горных наук и Гос . . пряженного состояния массива горных пород .... ........ :; ...... . гортехнадзора России начала выполняться Межотраслевая координа - безопасностью в раионах, 254 ционная программа «Геодинамическая безопасность», включающая в Глава 11. К управлению геодинамическои подверженных землетрясениям .................................. 254 себя двадцать пять крупных проблем, касающихся разных отраслей , 11. 1. Постановка вопроса ...... · · .... · .............. ·~~~·~ · ~;~~;~~·~~~~ ~ анимающихся освоением недр и земной поверхности в условиях , 11.2. Некоторые сведения о состоянии обеспеч .. .. .... .. .. 256 пасных по таким геодинамическим явлениям, как горные удары, сейсмически активных регионах ...... ······ .... ·~~~~·~~ ~ шахтах 264 ыбросы угля, породы и газа, горно-тектонические удары и выбросы , 11 3 Опыт решения проблемы горных ударов на у х подехногенные землетрясения, явления, возникающие при взаимодей11 :4: Разработка дополнительных мер безопасности в ра~~.~~.. : ...... 265 твии элементов блочной структуры, прорыiы воды и др. В выпол верженных землетрясениям ... . ••••· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · б ении программы участвуют многие академические , отраслевые и - т еории толчкоо разного 271 Глава 12. Предпосылки к созданию о б щеи ебные институты (головной институт ВНИМИ), соответствующие дефор мирования массива горных пород ............._,. ........ 271 . оянии земнои коры . роизводственные организации и органы Госгортехнадзора . 12. 1. Концепция о предельно напряженном сос:ых по од на основе 12.2. Оценка и прогноз состояния _массива гор р . ......... 274 К решению такой обширной «Программы», не имеющей аналогов метода геодинамическоrо раионирования ......... ..... . а ··мичесмировой науке и практике, российские ученые и производственники 12 3 Энергетически-силовая теория и классификация дин 276 могли прийти, имея на протяжении последних пятидесяти лет бога · · .. .............. ... . ............. . .. ..~·;~·-· ый опыт успешного решения ряда важнейших проблем, в первую 12.4. Отдельные показатели поведения масс р ............ 277 нах предельно напряженного состояния .. .. .. .. .. .. .. .. . 279 чередь, применительно к безопасности ведения горных работ в rольной и горнорудной промышленности . Глава 13. Направления и перспективы развития геодинамики недр 282 Одной из характ~рных особенностей последних пятидесяти лет в Заключение ................................................................... 284 . г.л ава ·~~i·::::::::::: п:и строительстве и эксплуатации ответственных со~:.~~~.~ 6 ких явлений .. 1 ~~~· ·;~ ~~ 1 ;·~~~·~; Список литературы •.. •· · · .. · · · · .. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · .. · · · · rольной промышленности явилось возрастание глубины разработки 3 раза. Это, прежде всего, обострило решение проблем горных ударов выбросов, проблем, до сих пор не достаточно решенных в мировой актике. В начале пятидесятых годов только на трех шахтах Кизелов ого угольного бассейна происходило до 80 крупных горных ударов в д, часто с тяжелыми последствиями . Минуглепром СССР поручил s дам и. В последние двадцать лет это выл решение этой проблемы институту ВНИМИ . В последующи е годы наук о Земле - геодинамики недр (42] ~лось в с~здание новой отрасли была разработана энергетическая теория горных ударов , создан и V внедрен комплекс э ффективных мер их предотвращения и , R первую очередь, осуществлен переход на безцеликовую отработку угольных пластов . В результате, несмотря на то , что количество опасных шахт с увеличением глубины разработки в странах СНГ возросло до 200, горные удары стали единичными явлениями , возникающими лишь в случаях нарушения установленных требований ведения работ. Остро стояла проблема с выбросами угля , породы и газа, особенно для Донецкого, Кузнецкого, Карагандинского бассейнов: в шести десятые годы происходило до 100 опасных выбросов в год . Решением проблемы занимались институты ИГД им. А.А.Скочинского (голов ной), ВНИМИ , МакJ.IИИ, ВостНИИ, ИГТМ, ряд институтов РАН. Была разработана энергетически-силовая теория выбросов, комплек мер предотвращения выбросов, в том числе таких мер региональног характера, как опережающая отработка защитных пластов, дегазаци и увлажнение опасных пластов в разгруженных зонах, ведение раба без целиков и др. К 1990 г. количество опасных выбросов угля и газ на шахтах стран СНГ удалось сократить в 5 раз, прекратились выбрось В настоящее время заканчивается создание « Единой инструкции по предотвращению горных ударов и выбросов на угольных шахтах на базе разработанных во ВНИМИ основ общей теории этих явлений 1974 r. работы по борьбе с горными ударами на рудника велись в соответствии с комплексной программой, утвержденно ГКНТ Миннауки. В работах участвовали многие институты (головно институт ВНИМИ). Контроль осуществлялся ГосгортехнаД1ором стр ны. Достигнуто снижение количества горных ударов на рудниках 6 раз несмотря на значительное увеличение глубины работы рудника за прошедшие четверть века . В 1996-1998 rr. опасных горных удар на рудниках не происходило. Отдельные случаи горно-тектоническ ударов, вызываемых массовыми взрывами по отбойке руды, наприме на Таштагольском руднике, ош~сности не представляют, если, конечн соблюдается установленный режим ведения работ. В последние годы участились геодинамические явления при разр ботке нефтяных и газовых месторождений, при эксплуатации железн дорог, протяженных трубопроводов, подземных и наземных сооруж ний; необходимо осуществление контроля геодинамической безоп ности на атомных станциях, в местах захоронения вредных отхода Решение крупных проблем по прогнозу и предотвращению ди мических явлений в шахтах заставило ВНИМИ и другие институ з аниматься 6 • лияние техноrенно твующее природное состоян ие недр- это единство природноиv массива Таки и деятельности в сущесб м о разом, геодинамика многими нестандартными научными подходами и ме V . и техногенной сие с позиции обеспечения максимальной ге тем, ра_,ссматриваемое при освоении недр и земноиv одинамическои безопасности поверхности Указанное, в конечном счете п и . координационной программь р вело к созданию Межотраслевой V t минавшейся выше. Програм~а\е~динамическая безопасность», упо исследовательских прое р дусматривает выполнение научно' ктно-конструкторс тальных работ по развитию те ких и горно-эксперимен- мер безопасной и эффективор~и, разработке и освоению комплекса нои эксплуатац нерудных, нефтяных и газовых место ии ~rольных, рудных, освоения недр, склонных к ге рождении, других объектов Большие задачи перед rеа:::ан:::а~ским явлениям. жания выработанных пространств в т недр стоят в области поддер использовании для хранения , ом числе при их последующем веществ и мате породы и газа. Начиная с тод - метод rеодинамического сновнои ее комплексный ме изучать блочное строение горно раионирования недр, позволяющий ное состояние и вписывать в го массива, его естественное налряжен- вредных отходов, обеспечения безоп дов и других объектов освоения зе V риалов, захоронения асvнои эксплуатации трубопрово Существен н ые возможности ::ои поверхности. безопасного использования э еются при решении вопросов нерги и горного полезных ископаемых и б давления при добыче урении скважин вт на основе открытия № 337* ' ом числе сверхглубоких и изучения услав специальных стендах в то ии разрушения пород на V , м числе на энергия», имитирующей натурные (с ави v льнои установке «Гео- 15 км) термодинамические ел оответствующие глубинам до 12ных образцов. у овия при испытаниях крупногабаритОсновная задача геодинамики не нога деформирования массива др - создание теории толчкообразразработок и предпосылок Э горных пород на базе уже имеющихся сов прогноза и предотвра~ент:ятеория будет основой решения вопро rорнотектонические удары и выб rеодинамических явлений, включая разработке месторождений п росы, техногенные землетрясения при будет полезной в совершенст~~:зных ископаемых всех видов, а также пасности в сейсмически актив ании подходов при повышении безо ных регионах земной коры. I1 * Закономерность разрушения го ных П . М.Петухов, В.П.Кузнецов А НЗ р пород в подземных условиях . / Риоритет от 18 апреля 1968 г. . . орин и др. Диплом на открытие № 337. 7 Ре шение проблемы управления rеодинамическим состоянием масс ива горных пород должно сопровождаться создан~ем автом~:;;~; ованной экспертной системы , предусматривающеи про!ра р беспечение оценки естественного и техногенного состоянии массива, ~ехнолоrических решений и контроля за состоянием массива в пропрактического осуществления. цесс;::кте ной особенностью решения проблем rеодинамическои р р е 40-50 лет в нашей стране является то , что Глава 1. V без опасности в последни ПРЕДМЕТ И СОДЕРЖАНИЕ ГЕОДИНАМИКИ НЕДР органы Госrортехнадзора активно участвуют в разраб_?тке и реализаци~ научных программ, что способствует своевременнои vпостановке и ре ше н и и вопросов безопасного освоения недр и земнои поверхности . Постановка проблемы управления rеодинамическим состоянием, кардинального повышения эффективности, безопасности и экологи ческой чистоты освоения недр и земной поверхности не имеет аналогов в мировой горной науке и практике. Земная кора за 4-5-миллиардный период своего формирования претерпевала сложнейшие изменения, обусловленные воздействием мно гочисленных внутренних и внешних сил и процессов. Чрезвы чай ная сложность ее строения, многообразие физико-механических с во йств слагающих ее пород, многие нераскрытые или еще недоста точ но раскрытые закономерности поведения земной коры в целом и в ее отдельных участках ставят крупные и не всегда посильные задачи п еред науками о Земле. Как известно, в науку геодинамика Земли вкладывается понятие о дви жении, силовом взаимодействии структурных элементов , составляю щи х земную кору, о землетрясениях, их энергии и прогнозе , о горооб р азо вании и других событиях, связанных с земной корой в ее естествен ном состоянии. В области изучения строения, напряженного состояния зем ной коры и изменения их во времени и в пространстве в последние десятилетия сделано много В работе [11, 12, 14, 19, 47, 49, 52, 57 f 14] достаточно четко определены и др . ]. имеющиеся подходы в обл асти геодинамики. Выдвинутая А.Веrенером концепция о текто нике плит, в 1960-е годы превратилась в новую теорию тектоники литосферных плит. Формирование гл авнейших структур земной коры и л итосферы Земли в целом определяется горизонтальным движением и взаимодействием сравнительно немногих пластин литосферы , кото рь1е наращиваются в одних зонах и поглощаются , уходя в мантию, в ругих . Конвективные течения материала материи Земли являются при то м наиболее вероятным движущим механизмом. Геод инамика Вследствие этого включает в себя тектонику литосферных плит и луб инные динамические процессы , т. е. крупные перемещения масс еществ и э нергии в земных недрах [14]. 9 Аналогичные взгляды на эти главные вопросы геодинамики выска з ываются в работах [l l, 32, 49]. Однако некоторые ученые не признают теорию тектоники плит. Наиболее определенно об этом говорится , например, в работе [ 19] , .в которой основное внимание в поисках закономерностей развития Земли уделяется концепции ее расширения. и и нте нсивности техногенного возде й ствия на массив го рных пород , сон ре менноrо геодинамического со стояния л итосф е ры . Геод ин а мика как новая отра сль нау к о Зем ле отражает ед инство и кза имоде йстние природной и технш·енной си стем в с истеме горного масс ива земной коры. При этом имеется в ви ду, что: В настоящей работе теория тектоники плит принимается за основу, природная система представляет собой объективное единство и как наиболее полно отражающая процессы и явления геодинамики, вза имодействие элементов блочной структуры з емной коры , ее напря однако с некоторыми изменениями и дополнениями, высказанными же нно-деформированного и газ оrидродинамического состояния, нахо ранее в работах д ящихся в определенных связях; [40-43] . V Геодинамика Земли изучает поведение и взаимодеиствие литосферных плит и их отдельных участков в естественном состоянии. При ле ний и процессов при техногенной деятельности в земной коре, нахо освоении же и эксплуатации недр приходится рассматривать не только д ящихся в определенных связях , устанавливаемых по воле человека. те хногенная система - единство и взаимодействие элементов , яв процессы и явления, происходящие в земной коре в ее естественном Эта новая постановка вопроса предполагает анализ и развитие су состоянии, но и процессы, явления и закономерности, обязанные сво им существованием техногенной деятельности человека. Чтобы осваи ществующих представлений и понятий о природной и техногенной сис темах, с последующим изысканием их взаимодействия в целях обес вать и эксплуатировать недра безопасно, экологически чисто и эконо п е чения безопасного и эффективного освоения недр земли и земной мически выгодно, необходимо знать их строение, особенности, на пряженное и газоrидродинамическое состояние на данный момент и п о верхности. Геодинамика недр, используя разработанный метод геодинамичес прогнозировать это состояние на определенное время вперед с учетом кого районирования степени и характера техногенного воздействия на массив горных поро коры , активные разломы и тектонически напряженные зоны, и земную поверхность. Многие элементы геодинамики получили раз вод ить расчеты напряжений, проницаемости и влагогазоемкости пород работку применительно к техногенному воздействию при освоении и разрабатывать на этой основе профилактические меры для обеспече недр, особенно при разработке месторождений полезных ископаемых. ния безопасности и эффективности освоения и э ксплуатации недр. Сюда прежде всего относятся проблемы горных ударов и выбросов, при решении которых в последние сорок лет разработаны энергети ческая теория горных ударов и энергетически силовая теория выбро [4], позволяет выделять блочное строение земной произ Земная кора и литосфера в целом состоит из двух десятков плит, постоянно взаимодействующих друг с другом. На этих плитах « плава ют» конт'иненты и океаны. Силовое взаимодействие плит приводит к сов, разрабатывается общая теория этих явлений, создан и широк дро блению их на мегаблоки , блоки различных размеров и конфи внедряется комплекс мер по профилактике их в шахтах и рудника гу ра ции вплоть до макроструктуры пород , обнаруживаемой при веде горнодобывающих стран мира. Разработаны способы управлени нии горных работ и строительстве подземных сооружений . Если учесть горным давлением в очистных , капитальных и подготовительны чр ез вычайное многообразие литолоrических разностей пород , их сло выработках при подземной эксплуатации угольных, рудных и нерудны истость, насыщенность жидкостью и газами, различие физических , месторождений. Много сделано в вопросах изучения сдвижения гор фазоных и химических пород, их постоянное силовое и химическое ных пород при подземных и открытых разработках полезных ископае нза имодействие, изменение этих свойств в зависимости от напря мых, включая прогнозные расчеты параметров сдвижения; имеютс же нного состояния и температуры, то можно в известной мере пред серьезные разработки в вопросах прогноза и профилактики техноrен ста вить себе всю сложность строения и свойств з емной коры и лито ных землетрясений. сфе ры в целом, изменяющихся в пространстве и времени. На основе использования достижений наук о Земле, включая упомянутые достижения геомеханики массива горных пород, в послед ние пятнадцать лет в России были сформулированы концепция, задач и методы исследований новой отрасли наук о Земле- геодинамика нед [4, 42]. Геодинамика нел.р рассматривает вопросы безопасного э ффективного освоения недр и земной поверхности с учетом характер 10 Постоянное движение плит в литосфере , их силовое взаимодей стн ие, вз аимовлияние оболочек Земли и околоз емного пространства , нл ияние лунно-солнечных приливон (отливов) и других планетарных сил и процессов, колебание силы и направл енности действия магнетиз ма и эл ектрических полей Земли приводит к крайней нестабильности строе ния и поведения земной коры , их изменчивости. Од на часть этих 11 сил и процессов представляется известными как по направлению их действия, так и в некоторых случаях по периодичности их изменения. Другая часть еще мало изучена или совсем не изучена. Имеются даже высказывания отдельных специластов, что единую концепцию раз работать нельзя. !лава 2. Невозможность учета всего многообразия форм, размеров и эле ментов массива горных пород, их свойств , взаимодействующих про цессов при решении конкретных вопросов техногенной деятельности О ТЕОРИИ ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ человека заставляет искать феноменологические подходы и методы. Такой обобщенный подход должен базироваться на раскрытии зако номерностей распределения напряженного состояния в земной коре в целом и в отдельных ее участках с учетом усредненных физико-меха нических и химико-биологических свойств массива горных пород и его температуры, рассматривая массив в качестве сплошной среды [42). 2.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ Указанный подход существенно облегчит рассмотрение влияния и таких факторов, действие которых сказывается постоянно, но с интен В настоящей главе делается попытка обзора современных представ сивностью, изменяющейся периодически по определенным законам лений о тектонических процессах и явлениях, имеющих место в лито (например, лунно-солнечные приливы). Интересно отметить, что наи сфере и астеносфере, определяющих, в конечном счете, состояние и большее влияние таких факторов, например, на число горных ударов поведение земной коры, в которой сосредоточена основная техноген регионального типа сказывается в периоды максимальной нестабиль ная деятельность человека. Это положение имеет Главные источники тектонических движений и деформаций лежат большое значение для понимания многих процессов, имеющих место не в самой литосфере, а в более глубоких недрах Земли и прежде всего ности состояния массива горных пород [37]. в непосредственно подстилающем литосферу более пластичном и по в земной коре. В настоящей работе делается попытка рассмотреть вопрос о напря движном слое верхней мантии - астеносфере [52). Отсюда в литературе женном состоянии земной коры и литосферы в целом на основе кон используется объединенное понятие литосферы и астеносферы в виде цепции о том, что литосфера, как система, и ее отдельные участки на тектоносферы как главной области проявления тектонических про ходятся в специальном предельно напряженном состоянии, а внутри цессов. При этом понимается, что область интересов геотектоники этих участков напряженное состояние является крайне дискретным как распространяется, конечно, и на Землю в целом. В работе отмечается, по интенсивности, так и по виду что в последнее время возрос интерес к геодинамике как новому науч [40). Целью работы является рассмотрение состояния решения отдс;,. ~ ных вопросов геодинамики недр, научное обоснование программы дальнейшего развития этой отрасли наук о Земле, ее приложений к освоению недр и земной поверхности. ному направлению, родившемуся «на стыке тектоники, петрологии, геохимии и геофизики» [52J . Авторы настоящей книги при осуществлении обзора в значитель ной степени и с благодарностью пользовались сведениями, содержа щимися в работе [52], а так же, конечно, использовали и более ранние работы многих отечественных и иностранных авторов r2, 6, 11-14, 19, 26 , 32, 35, 36, 47, 49, 57 и др.]. Остановимся ниже на имеющихся в научно-технической литерату ре данных об основных положениях теории литосферных плит, завое вавшей в последние десятилетия широкое признание в науках о Земле, о современных характеристиках и понятиях, относящихся к границам литосферных плит, о внутриплитных тектонических процессах. Такого рода обзор позволит, во-первых, опираться на него при дальнейшем 13 рассмотрении интересующих н ас вопросов и, во-вторых, излагать 1 собственную позицию, если она в отдельных случаях отличается, 2 ссылаясь на соответствующие положения выполненного обзора. ры, 2.2. ОБ ОСНОВАХ ТЕНТОНИНИ ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ а основная тектоническая, 1968 r. , когда теория и основная тектоническая, сейсмическая и магматическая ак тивность сосредоточена на их гра тивность сосредоточена на их гра ницах. ницах , Основные обобщенные положения тектоники литосферных п л ит по состоянию на ры се йсмическая и магматическая ак однако хотя и в меньшем масштабе, проявляется и во внут была впервые до статочно полно ренних частях плит. сформулирована, и их развитие с учетом последних достижений наук о Земле , даны в табл. 2.1 [521. 4. Таблица 2. 1 Горизонтальные перемещения литосферных описанию, Сравнение основных положений классической плит исходя поддаются из теоремы Эйлера. и современной тектоники плит 4. Горизонтальные перемещения крупных и средних плит поддают ся описанию , исходя из теоремы Эйлера, но малые плиты могут испытывать более сложные пере мещения . Классическая тектоника плит Современная тектоника плит (1968) (1993) 2 1 1. Верхняя часть твердой Зем л и Верхняя часть твердой Земли разделяется на хрупкую литосфе разделяется на литосферу и асте ру и пластическую астеносферу. носферу, но литосфера не стол ь t. 5. Наблюдаются три основных ти- 5. па относительных перемещений па относительных перемещений п л ит: плит: 1) выраженное рифтингом и спре дингом; дингом; 2) выраженное субдукцией и колли подвержена расслаиванию, а асте зией; цией , эдукнией, коллизией, вы масс латеральном горных пород направлении, в в том числе по сдвигам; Литосфера разделена по лате ли на ограниченное число круп рали на крупные, средние и ма ных и средних по раз мерам п л ит. лые Между схождение (конвергенция), выраженное субдукцией , абдук жиманием ральном направлении. плиты. 2) схождение (конвергенция) , монолитна, как предполагалось , и 2. расхождение (дивергенция) , выраженное рифтингом и спре свою мощность и вязкость в лате по л атера l) расхождение (дивергенция) , носфера существенно изменяет 2. Литосфера разделена Наблюдаются три основных ти 3) 3) сдвиговые перемещения по трансформным разломам. ко крупными сдвиговые перемещения по трансформным разломам , неред сочетающиеся со сжатием (транспрессия) или растяжением плитами расположены пояса, сос (транстенсия). тоящие из мозаики малых плит, а 3. Литосферные плиты находятся сами крупные плиты неодн ород 6. ны ч еск и компенсируется субдукцией руется не только субдукцией и кол горизонтальном сечении. и колл изией по их периферии и лизией, но и другими процессами, 3. благодаря этому радиус и объем Земли остаются постоянными . свя за нными с конвергенцией плит как в вертикальном , так и в Литосферные плиты н аходятся в постоянном относительном дв и в постоянном относительном дви жении по поверхности астеносфе- жении по поверхности астеносфе- 14 ·Спрединг в океанах автомати 6. Спрединг в океанах компенси (абдукция, эдукция, сдвиги и пр .), причем все эти процессы не нахо дятся в постоянном количествен- 15 В качестве пояснения к п .7 желательно привести следующее вы 2 1 сказывание составителей табл. 2.1: непосредственное увлечение лито сферных плит астеносферными течениями не считается в настоящее ном соответствии. Поэтому радиус время е{lинственной и даже главной движущей силой. Значительно и объем Земли могут испытывать большая роль от1юдится двум другим силам пульсацию, хотя и в ограниченных осей срединных хребтов под влиянием гравитации из-за их значи размерах. Кроме того, весьма ве тельного превышения над абиссальными равнинами и их затягиванию Перемещения литосферных опалкиванию плит от вековое уменьшение ра в зоны субдукции вследствие того, что в результате охлаждения океан диуса и объема Земли вследствие ская плита оказывается более тяжелой, чем астеносфера, и утрачивает ее общего охлаждения. благодаря этому свою плавучесть. 7. литосферных плит успешно развивается . Более того, наличие этой теории способ ствует и будет способствовать в будущем проведению дальнейших роятно 7. - Перемещения Из анализа табл. 2.1 следует, что теория тектоники литосферных плит относительно астеносферы плит относительно астеносферы обязаны их волочению под дей обязаны не только их волочению науч ных изысканий и экс периментальных исследований и надо наде ствием конвективных течений в конвективными течениями, яться, что уже в ближайшие десятилетия можно ожидать крупных дос астеносфере. отодвиганию от осей срединно но и тижений в этой области. и Нам представляется, что первоочередным и наиболее резуль затягиванию в зоны субдукции тативным в дальнейших изысканиях должно стать направление, океанских хребтов (ridge pysh)* касающееся природы и величины горизонтальных сил, обеспечиваю (stabpull)**. щих дрейф и взаимодействие литосферных плит. Эти вопросы будут 8. Главным «мотором» тектоники плит служит конвекция, которая 8. Главным «мотором » тектоники плит служит конвекция в мантии, является общемантийной и имеет но чисто тепловое происхождение. более сложной форме, различной она проявляется в нами рассмотрены ниже с учетом данных табл. жений, сформулированных в работах 2.1 и на основе поло [40-43J. гораздо на разных уровнях, многослойной 2.3. ГРАНИЦЫ ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ и является не чисто термической, но и химической. Границы литосферн ых плит подразtеляются на дивергентные, представленные рифтовыми зонами;конве ргентные, представленные 9. Ряд важных тектонических и 9. При создании более общей rео зонами субдукции, абдукции и коллизии, сдвиговые по трансформным разломам. вообще rеодинамических процес динами ческой концепции необ сов остался в ходимо учитывать более широкий В рифтовых зонах имеет место наращивание плит (спрединг). классической тектонике плит, а та круг процессов, включая внутри Большинство рифтовых зон связаны между собой , образуя глобальную вне рассмотрения кие основные процессы, как риф плитные деформации и маrма систему, протянувшуюся через континенты и океаны (рис. тинг, спрединг, субдукция, пере тизм, но это обстоятельспю привело к тому, что исследователи пришли к мещения по трансформным раз эндогенной активности Земли , а ломам рассматривались упрощенно. весьма периодические изменения также сложность движения на rра н ицах плит, их изменчивость в пространстве и времени . * Под влиянием гравитации (превышение хребтов над абиссальными рав11инами). ** 16 Океанская п л ита более тяжелая вследствие охлаждения. 2.1). Имен необходимости выработки общего подхода в виде «новой глобальной тектоники», как в конце 60-х годов называли концепцию тектоники л итосферных плит [52]. В глобальной системе рифтовых зон большую часть составляют рифтовые зоны океанов (около 60 тыс. км из общей их протяженности около 90 тыс. км), выраженные срединно-океанскими хребтами. Хреб ты продолжают один другой, а в ряде мест связаны между собой «трой ными сочленениями» (рис. 2.1). Пересекая границу с пассивными 17 континентальными окраинами океанские rифты продолжаются конти нентальными . Там, где срединно-океанские хребты подходят к актив ной континентальной окраине , они поглощаются в зоне субдукции. Система рифтовых зон определенным образом ориентирована относительно оси вращения геоида (рис. 2.2). Рифтовые зоны образуют почти полное кольцо вокруг южного полюса на широтах отходят от этого кольца меридионально с интервалом около 40-60° и 90° тремя затухающими к северу поясами: Восточно-Тихокеанским, Атланти (1) ill ческим и Индоокеанским. По свидетельству Е.Е . Милановскоrо и А.М.Никишина (1988 r.) намечается и четвертый, Западно-Тихоокеан ский пояс. Правильность в размещении рифтовых зон сочетается с гло бальной асимметрией как между полярными областями, так и отно сительно Тихоокеанского полушария [52]. Отмечается, что вне гло бальной системы находятся лишь немногие из крупных рифтов: система Западной Европы (включая Рейнский грабен), а также системы Байкальская и Фэнвей Шанси, активность которых поддерживается коллизией континентальных плит Евразии и Индостана . Рис. 2 .1. Глобальная система современных континентальных и океан ских рифтов, главные зоны субдукции и коллизии, пассивные (внутри плитные) континентальные окраины. Рифтовые зоны: Срединно-Атлантическая (СА), Американо-Антаркти ческая (Ам-А), Африкана-Антарктическая (Лф-А), Юго-Западная Индооке анская (ЮЗИ), Аравийско-Индийская (А-И), Восточно-Африканская (ВА) , Красноморская (Кр), Юго - Восточная Индоокеанская (ЮВИ), Австрало-Ан тарктическая (Ав-А), Южно-Тихоокеанская (ЮТ), Восточно-Тихоокеанская ~ '(] 11~'Цс:3,-. 1 1111111i111i1 . (ВТ), Западно-Чилийская (ЗЧ), Галапагосская (Г), Калифорнийская (Кл), Рио-Гранде - Бассейнов и Хребтов (БХ), Горда-Хуан-де-Фука (ХФ), Нансе на-Гаккеля (Н-Г), Момская (М), Байкальская (Б), Рейнская (Р). Зоны субдукции: 1 - Тонга-Кермадек; 2 - Новогебридская; 3 - Соломон : 5 - Зондская; 6 - Манильская; 7 - Филиппинская; 8 Рюкю; 9 - Марианская; 10- Идзу-Бонинская; /J - Японская; 12 - Курило Камчатская; 13 - Алеутская; 14 - Каскадных гор; 15 - Центральноамери канская; 16 - Малых Антил; 17 - Андская; 18 - Южных Антил (Скотия); 19 - Эоловая (Калабрийская) ; 20 - Эгейская (Критская); 21 - Мекран. 4- Новобританская; а - океанские рифты (зоны спрединга) и трансформные разломы; б 1 - континентальные рифты; в - зоны субду1щии: островодужные и окраинно материковые (двойная линия); г - зоны коллизии; д - пассивные континен тальные окраины; е - ле пассивные); ж векторы относительных движений литосферных пл ит, - трансформные континентальные окраины (в том чис по Дж.Минстеру, Т.Джордану зонах спрединга до 18 12 - до 15- 18 (1978) и К . Чей зу (1978) , с дополнениями; в см/год в каждую сторону; в зо нах субдукции - см / год 19 но по простиранию зон , оказавших расклинивающее действие на по роды литосферы [52]. Системы базальтовых даек берут начало на больших гл убинах в результате активного внедрения посредством гидроразрыва пород с по следующим раздвиганием стенок трещины . Активный способ заложе ния рифтовых зон имеет, по-видимому, подчиненное значение [52] . Считается , что проявление таких условий наиболее вер о ятно над зонами субдукции. Для развития гидроразрыва достаточно , чтобы давление жидкости в 1,2 раза превышало сжимающее напряжение в породе. Согласно сейсмологическим наблюдениям В.М.Горельчика и других, в период трещинного извержения Толбачика на Камчатке базальтовый клин подымался там со скоростью 100-150 м /с . Трансформные разломы представляют собой разрывы со сдвиговым смещением. Трансформные разломы рифтовых зон соответствуют типу « хребет-хребет», т. е . снимают горизонтальные напряжения между двумя отрезками рифтовой зоны. На некоторых участках Срединно Атлантического хребта они следуют через каждый 10-50 км и даже чаще. Накопление напряжений между сегментами срединно-оке анского хребта связано с неравномерностью спрединrа. Трансформные разломы вторичны по отношению к рифтоrенному раздвиrу [52]. Зоны субдукции и коллизии представляют собой характер взаимо действия литосферных плит при встречном движении. Субдукция воз Рис. 2.2. Геометрическая правильность размещения глобальной систе мы современных рифтов относительно оси вращения Земли по Е . Е . Ми лановскому, А.М.Никишину (1988): 1 - кайнозойские оси рифтинга главным образ ом активные; ская литосфера кайнозойского возраста ; 4- 3- области с континентальной литосферой; 2 - океан то же , мезозойского возраста; 5 - конвергентные границы никает там, где на конвергентной границе сходятся континентальная и океанская плиты , либо океанская с океанской. При их встречном движении более тяжелая литосферная пл та (всегда океанская) уходит под другую, а затем и погружается в мантию . Коллизия, т.е . столкно вение литосферных плит, развивается там, где континентальная лито сфера сходится с континентальной: их дальнейшее встречное движе ние компенсируется деформацией литосферы , ее утолщением и «ску Большинство исследователей исходит из того, что обусловленное чиванием » в складчатых горных сооружениях. Очень редко и на конвективными пrоцессами утонение литосферы и ее последующий короткое время при конвергенции возникают условия для надвигания раз рыв до земной поверхности (дна океана) приводит к последующему на край континентальной плиты фрагментов океанской литосферы : достаточно пассивному наращиванию плит за счет и~тока магмы. происходит абдукция Магматизму при этом отводится пассивная роль. конвергентных границ около Вместе с тем имеются взгляды на образование рифтовых зо н в соответствии с механизмом гидравлического расклинивания 45 тыс. км , остальные [52]. - При общей протяженности современных 57 тыс. км на субдукционные приход ится на коллизионные . п о род В зонах коллизии породные массивы вступают в активное взаимо литосферы поднимающейся базальтовой магмой , в том числе в в и де действие на протяжении многих тысяч километров вдоль Средизем линейных даек. Интересно , что количественное обосно ва ние меха низ номорско-Гималайского складчатого пояса с проявлением активной ма внедрения дайки стало возможным в свя з и с разработкой теории гидроразрыва горных пород при добыче нефти (М . Хабберт, Д . Уил л ис , сейсмичности . Некоторые исследователи (А.Балли) рассматривают А . Д . П э к и В . С . Попов). Этот эффект подтвер ждается наличием даек и ( А-су бдукцию). Коллизия наиболее си л ьно проявляется там , где трещинных излияний в рифто вых зонах , расп оложившихс я верти кал ь - Евраз ии противостоят выступы плит Индостана и Аравии. а также 20 этот режим как особый вид субдукции - альпинотипную субд укцию 21 активно смещающаяся на север Адриатическая плита . На Закавказ ской микроплите, под од вигающейся под Большой Кавка з, срыв и « счешуи ва ние» вероятно охватывают только ее осадочный чехол . Встречное достигает 2000 км , что привело к утолщению и воздыманию высочай шего в мире горного сооружения и отжиманию горных масс складча того пояса в запад ном и восточном направлениях. Наблюдаются иногда переходы от зон коллизии к зонам субдукции. + + + суммарное движение Индостана и Евразии сначала действия коллизии + + + + Ci \ ,...' . • 4Э ~3 ШШIШч ,,,i Се \ ' Проявления внутриплитной тектонической и магматической актив , ' ' 1 ' .._ ,-~',,',; I ности весьма разнообразны: вертикальные движения земной коры . -,•...--.~1,,, .... IA ,, ,...', ,,,,., ' , ' ' .,,,,\ f \ '.! / ' f 1 ~ \ • , 'I \ ,, ,,,,, ,~- (первые миллиметры в год), относительные горизонтальные подвижки (сантиметры). Внутренние части плит повсеместно испытывают напря ' J к простиранию зон коллизий). Внутренние зоны об ладают сейсмичностью и вулканизмом, особенно в рифтовых зонах, аб . ',";'. ,, 1 / ',,~ ~ .... / жения сжатия (векторы их направлены либо перпендикулярно зонам - Oz о ВНУТРИПЛИТНЫЕ ТЕИТОНИЧЕСИИЕ ПРОЦЕССЫ спрединга, либо Qj L.::======-_;t,.-_:;_~__...:!:__~+L._._~+!:_~1.::.:.;•~ \ 2.4. [ \+++!1 о -- - r однако более слабыми по сравнению с зонами, прилегающими к грани ~7 ~8 цам плит. Внутриплитный вулканизм более активно проявляется в оке анских бассейнах (возможно связано с активностью магнитных струй). tt Таким образом внутренние части литосферных плит не лишены современных движений, сейсмичности и вулканизма, хотя масштабы э тих проявлений много меньше, чем в районах, приуроченных к границам плит. Только иногда эти проявления носят катастрофический [[2]9 m,a характер . Среди основных типов внутриплитных дислокаций выделяются : планетарная трещиноватость , глубинные раз ломы, зоны складчатых д ислокаций . Особое место занимают так называемые кольцевые струк туры, в т.ч. метеоритовые кратеры и астроблемы (рис. 2.3) l52] . Все типы внутрип л итных дислокаций выявляются на базе геоло гических , геофизических, морфологических данных, а также с исполь з ованием аэ ро- и космических снимков . 2.5. ЗАМЕЧАНИЯ И ПРИВЕДЕННОМУ ВЫШЕ ОБЗОРУ Рис. 2.3. Геологическое строение астроблем. Вверху - разрез палео зойского (414±20 млн лет) ударного кратера Брент на Канадском щите (по Р. Гриве и др. , 1977, упрощено), внизу - карта и схематический разрез кайнозойского (39 млн лет) Полигайского ударного кратера на Анабар ском щите (по В.Л.Масайтису и др ., 1975). !-! ' - линия разреза. 1 - кристаллические породы докембрия; 2 - докайнозойский осадочный чехол Анабарского щита и осадочное заполнение кратера Брент; 3 - брек чирование и катаклаз; 4- ударно-метаморфизованные гнейсы; 5- центро шли существенные сд виги , закрепившие за этой теорией ее ли д иру ю бежные надвиги (а) и радиальные разрывы (б); 6 - ось кольцевого поднятия; 7 - аллогенные брекчии ; 8 - то же , с признаками ударного метаморфизма; 9 - базальный горизонт аллогенных брекчий; 10- зювиты астроблемы Брент (а) и Попигайской (б) ; / / - застывшие импактные расплавы, в том числе щее положение (см . табл. тагамиты Следует констатировать , что в развитии основ теории литосферных плит, особенн о отдельных ее пол ожений , за последние годы пр о изо 22 2. 1) . 23 счет притока энер гии из магмы , имеющей на стадии поступления в а б рифтовую зо ну гидростатическое н апр яженное состояние, равное у Нг, где Нг - из работ толщина литосферы в районе рифтовой зоны, как это следует и [40, 41 421. Величины Н 1 . для рюных рифтовых зон иссле дователями определены , хотя может быть еще и не достаточно точно в силу того, что для их установления используются не прямые, а кос венные методы измерений. Подробные результаты приводятся, напри мер, на рис. 2.5 из работы [261. Рис. 2.4. Активная спрединговая стадия развития пассивной конти нентальной окраины фазы процесса: а - начальная; б - зрелая Прежде всего наметилось, как нам кажется, более определенное продвижение в вопросе, касающемся силового взаимодействия лито сферных плит, причин их п еремещения . Десяток лет назад, когда авторы настоящей книги начинали делать свои попытки в решении этого вопроса почти общепринятым и незыб лемым был тезис о том, что движение плит связано с конвективными движениями (процессами) в мантии. Имевшиеся к тому времени от дель ные высказывания о возможном влиянии раздвига плит в рифто вых зонах за счет расклинивающего воздействия внедряющейся из мантии магмы, не получали существенной поддержки. К настоящему времени гидроразрыву литосферы и распирающему воздействию магмы при раздвиге литосферных плит придается уже несколько боль шее значение: допускается, что в отдельных случаях это может иметь место, например, при активном рифтогенезе (рис. 2.4) [52]. Указанный поворот представлений в рассматриваемом вопросе придает оптимизм и уверенность в дальнейшем развитии предложен ной в работах [40-43] идее о механизме и силовых особенностях спре динrа литосферных плит в океанских рифтовых зонах за счет поступ ления (прорыва) магмы из астеносферы. 120 1ro 1so 1~ 120 Развивая прежние идеи и, принимая во внимание, что система рифтов в океанах и на континентах является единой [521. можно предположить ее рассмотрение в качестве единой и в силовом выра жении, т. е. как определяющую перемещение литосферных плит, их Рис. вза имодействие, внутриплитные тектонические процессы . В этом 1- 2.5. Карта расчетной мощности литосферы Тихого океана: рифтовые зо ны и трансформные ра злом ы; плане единая система литосфера-астеносфера может рассматриваться, желоба; как в известном смысле замкнутая система. имеющая достато чное 4- энергетическое обеспечение: круговорот пород в ней совершается за глубоководного бурения 24 3,4 - 2 - изопахиты расчетной мощности литосферы: предполагаемые; 5 - глубоководные 3- достоверные, расчетн ая мощность литосфер ы (в км) в точках 25 Исходя из изложенного, авторы считают возможным поставить задачу создания единой системы, обеспечивающей понимание и силовую интерпретацию движения и взаимодействия литосферных плит, т.е. подвести математическую основу под особо нуждающуюся в этом теорию литосферных плит, в т.ч. можно подойти к расчету величины работы, необходимой для перемещения литосферных плит и сопоставить ее объем с силовыми возможностями, имеющими место в рифтовых зонах. Вторым направлением развития теории литосферных плит являет !iтава З. ПРЕДЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ся, по-нашему мнению, дальнейшее изучение геодинамического сос тояния земной коры и литосферы в целом на основе метода геодинами ческого районирования недр, созданного авторами работ [4, 10, 42]. МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД «от общего к частному» представляется возможным последовательно 3.1. ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД Применяя основной принцип геодинамического районирования установить: геодинамическое состояние земной коры и литосферы в целом; геодинамическое состояние литосферных плит и динамику их перемещения и взаимодействия; В ЗОНАХ ПРЕДЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ Предельно напряженное состояние в массиве горных пород r-:1.ожет границы и взаимодействие элементов блочной структуры лито возникнуть в условиях действия естественного поля напряжении, су Проведение работ в перечисленнь,х направлениях существенно на него. Образование зон с предельно напряженным состоянием в мас сферных плит (мегаблоков 1-IП рангов и блоков 1-V рангов) . продвинет развитие теории литосферных плит и будет способствовать дальнейшему развитию и уточнению существующих методов оценки напряжений, плотности пород, их проницаемости и влагогазоемкости в горном массиве земной коры в любых регионах [42]. Получая результаты расчетов напряженного и газогидродинамичес кого состояния в блочной структуре любого участка земной коры, мож но с вполне· достаточной достоверностью получить сведения о степени активности выделенных разломов, местах концентрации напряжений и, в конечном счете - местах риска, в которых при техногенном освое: нии недр и земной поверхности могут встречаться опасные условия. Ограничившись пока этими предварительными суждениями, обра тимся к более системному изложению этой новой концепции матема тической интерпретации отдельных сторон теории литосферных плит с у• , етом полученных результатов изысканий в работах [40, 41, 42]. ществующего в земной коре, и в результате техногенного воздействия сиве горных пород, видоизменение их границ, напряженности, исчез новения и возрождения этих зон в новых условиях является важнейшей проблемой геодинамики недр. Рассмотрим этот вопрос на примере отработки угольных мес торождений. Еще в 1940-е годы В.Д.Слесаревы'м была высказана мысль о нали чии впереди очистного забоя разрушенной части пласта угля, приле гающей к выработанному простран ству и обусловливающей перемеще ние максимума зоны опорного давления в глубь угольного массива. Более определенно, на основе большого объема инструментальных наблюдений этот вопрос был сформулирован в работах по решению проблемы горных ударов на угольных шахтах Кизеловского бассейна 137 /. Именно здесь стали говорить о зоне с предельно напряженным состоянием, о предельном ее насыщении потенциальной энергией. Эта зона понималась не как зона разрушенного горным давлением угля, а как зона, в которой напряжения распределяются в зависимости от степени устойчивости краевой части пласта, возрастающей при уда лении от края пласта. Малейшие изменения в устойчивости краевой части пласта, внедрение в краевую часть бара машины, взрыва и другие воздействия вызывают немедленные изменения в зоне предельно напряженного состояния, перераспределение нагрузок в этой зоне, передачу их в глубь массива. 27 Угольный пласт в рассматриваемой зоне сохраняет способность накапливать потенциальную энергию упругого сжатия, запасы которой пропорциональны квадрату величин действующих напряжений . Вот это положение, положение о предельном насыщении потенциальной энергией составляет существо новых представлений о зоне предельно напряженного состояния :150 [37]. 250 3.1.1. Зона предельно напряженного состояния впереди очистного забоя Более подробно рассмотрим поведение угольного пласта впереди очистного забоя. Ширина зоны опорного давления впереди очистного забоя может быть установлена с помощью зависимостей, приведенных на рис. 3.1 [18]. На расстоянии до 0,3-0,5! (где l - ширина зоны опор ного давления впереди очистного забоя) дальнейшее подвигание забоя приводит к увеличению скоростей деформаций угля и сближения боковых пород . Это обусловливается перераспределением нагрузок на пласт вы званнь~м взаимодействием двух зон опорного давления: зоны, ус;ано вившеися впереди очистного забоя в целом , и зоны, вызванной влия нием подвиrающегося уступа . При этом следует иметь в виду, что до появления уступа впереди очистного забоя в угольном пласте сущест вовало предельно напряженное состояние и предельное насыщение t,м Рис. 250 3.2. Зависимость 200 энергии Е, высвобождаю щейся при внедрении ком 200 150 150 бай на в угольный пласт, от ширины захвата В : а и б - из пласта и боко вых пород соответственно 100 50 О 50 2 11 5 tJ В,м О 2 ~ 5 В,м потенциальной энергией упругого сжатия. Появление зоны опорного давления впереди уступа создает условия нестабильности , при которых впереди забоя формируется общая зона предельно напряженного состояния . Характер этого процесса зависит от соотношения скорости подвигания комбайна и возможной скорости передачи нагрузок в глубь угольного пласта в результате его релаксации и псевдопластическоrо деформирования. Скорость выхода пласта , опасного по горным уда рам , из-под нагрузки часто оказывается недостаточной, что приводит к хрупкому разрушению угля в виде толчков, микроударов и собствен но горных удар6в . Требуется замедление скорости подачи комбайна, т>1ом чтобы избежать или, по крайней мере, снизить интенсивность этих проявлений. Влияние процесса выемки угольного пласта на выдавливание угля и сближение боковых пород тем больше, чем шире вынимаемая лента угля и чем больше скорость ее выемки. Это положение отражено на рис. 3.2 и 3.3 и послужило основой для открытия № 337, формула ко 80 торого излагается в следующем виде: экспериментально установлена неизвестная ранее закономерность разрушения горных пород в подзем ных условиях, заключающаяся в том, что при возрастании скорости перемещения поверхности обнажения породного массива повышается интенсивность хрупкого разрушения пород в призабойной области, 1/0 Рис. 3.1. Номограмма для определения ширины зоны 20 опорного давления l: Н - глубина разработки; (J 20Q 28 1/00 oOtJ 800 1000 н,м т - мощность угольного пла- ста или вынимаемого слоя обусловленная концентрацией и локализацией сил горного давления в этой обла<.,и. Применение указанной закономерности позволяет при ведении горных работ за счет управления напряженным состоянием мас сива угля (пород) снизить энергоемкость и металлоемкость забойных и проходческих машин, повысить безопасность ведения горных работ. При проведении наблюдений с помощью нескольких индикатор ных стоек , одновременно фиксирующих сближение кровли и почвы 29 w Рис. З.З. Зависимость энергии W, участвующей в хрупком разруше нии угольного пласта, от скорости подачи комбайна V выдавливанию главным образом в форме толчков и микроударов. В неработающем забое в условиях установившегося горного давления деформированию подвергается в основном кромка угольного забоя, н результате чего создаются условия для защемления забоя сближающи мися породами. Следовательно, ширина зоны предельно напряженного состояния впереди очистного забоя изменяется, существенно возрастая в районе подвигающегося уступа впереди бара комбайна. З.1.2. Дискретность распредепения напряжений Следующее важное свойство зоны предельно напряженного состоя ния пласта угля V - дискретность распределения напряжений в ней. Большие (до 5-10%) деформации угольного пласта происходят в пласта и выдавливание угля из забоя при работе комбайнов, установ основном по плоскостям природной трещиноватости и слоистости. лено следующее: При этом подвижки, совершаясь по неровным поверхностям, приводят в момент толчка или микроудара происходит мгновенное сбли жение кровли и почвы и мгновенная подвижка угля из забоя; величины подвижек при толчках составляют от 0,01-0,05 мм до нескольких участков с большой концентрацией напряжений и участков в значи тельной степени разгруженных (рис. 3.4). Обнаруженный эффект толчки (микроудары) появляются сразу же впереди бара машины при сущ не только угольным пластам, но и вообще деформированию миллиметров; средних скоростях сближения боковых пород от 15-18 до 25 мм/ч; при толчках, которые происходят выше или ни~е работающего комбайна, мгновенные подвижки угля и кровли появляются на фоне к существенному разуплотнению пласта (до 5-20%) и образованию разуплотнения в результате подвижек по неровным поверхностям при массива горных пород [5]. В местах концентрации напряжений возможно «оплывание» острых граней макроструктурных элементов пласта угля. При этом, если в средних скоростей сближения пород, не превышающих, как правило, 5-6 мм/ч; условиях псевдопластическоrо состояния, в котором находится пласт перед очередным толчком (микроударом) обычно имеет место замедление скоростей сближения пород и выдавливания угля; соотношение скоростей сближения боковых пород и ныдавливания лывание» элементов угольного пласта в местах повышенной кон угля довольно резко меняется в зависимости от расстояния до работаю щего комбайна: при работе комбайна на расстоянии менее I U мот точ ки наблюдений скорость выдавливания угля, как правило, больше ско рости сближения пород. Наиболее часто это проявляется с расстояния 7-8 м, когда скорость выдавливания угля в два-три раза превышает скорость сближения порсщ, а в отдельные моменты - в пять-шесть и более раз. В моменты остановки комбайна, особенно на длительный период, скорости выдавливания угля из забоя, как правило, равны ско рости сближения кровли и почвы, а иногда бывают и менее ее. Таким образом, в период работы комбайна н данном районе развиваются силы достаточные для деформиронания более широкой полосы угля, при~ леrающей к очистному забою, и способствующие ее толчкообразному 30 перед началом разрушения в форме ropнor& удара, возможно «оп центрации напряжений и, следовательно, выравнивание напряжений, то в момент разрушения пласт работает, как упругое тело. Поэтому увеличение объема из-за подвижек по неровным поверхностям про исходит интенсивно и способствует толчкообразному выталкиванию краевой части пласта. Рис. 3.4. Схема подви жек в пласте угля по не ровным поверхностям природной трещинова тости и слоистости ·1 и 2- [26): места соответст венно повышенной и по ниженной концентрации напряжений 31 Эффекты разуплотнения пласта и дискретности распределения напряжений н наибольшей степени проявляются вблизи обнажения (края) пласта, постепенно снижаясь при приближении к максимуму зоны опорного давления, т. е. к границе предельно на11ряженного сос тояния пласта. При этом кроме процесса релаксации напряжений учас твуют также пластические деформации материала и поднижки по структурным элементам угля (пород) . Более того, необходимо иметь в виду, что по мере приближения к пределу прочности скорость деформации породы (угля) возрастает и З.1.З. Поведение угля в целиках тем больше, чем ближе к пределу прочности . Это явление было установлено при испытании обра:щов удароопасного угля Кизелонского бассейна на рычажном прессе (И.М.Петухов, П.А.Власов, 1952 r.). Отдельные результаты испытаний приведены в табл. 3.1. При дли тельном выдерживании образца угля под нагрузкой , близкой к рюру шающей, но не достигающей ее, деформирование образца угля удава лось довести до 10- l l % его высоты. При этом максимальные скорости деформирования достигали 10- 13 мм/ч (перед разрушением образца). Тем более установленный эффект должен проявляться при деформи ровании угольного пласта в целом [37]. Обнаруженное явление в работах А.М.Линькова и И.М.Петухова получило название «акселерация разрушения». Результаты испытаний образцов угля Таблица 3.1 из удароопасноrо пласта Кизеловскоrо бассейна cu :::1 м cu о. \О о 2; 7 23 35 cu Время протекания 6 :s: t:: о. о.~ t:: 5 <::1. пластической t:: :s: :s:· ... :s: <1J и t:: g: о. о ... деформации , мин cu с начальн. с коне чн ой u скоростью скоростью ;;Е Скорость пластичеL:кой деформации , мм / ч VI 34 , б 12 - 2, 12 24,8 30 25 0,37 36,9 36,7 Прu,~1ечания: 17 1. При нагруже до о образца v1 На1-ру1ка l:НЯТа 15 11 Хараf{теристика 10,43 Целики угля, находящиеся в предельно напряженном состоянии , деформируются постадийно. глубина работ 600 м. 84 % разрушающей 4 м имели б - место сильные толчки и зажатия штанг, свидетельствующие ~аl~~~ опасности целика угля. Из проведенных инструмента;;:;~:и· дефорнии " следует что целик толчкообразно деформируется · и , затем середина и снова кра~;игалаи в н правлении мируются края, 4 см Темплоскост не менее пласта угля пластические дефор~а~;и5;~с произошло .раздавливание . . . . целик остался удароопасным и его в форме горного удара с выбросом 7 т угля [37/. . Из этого и яда других наблюдений станавливается, что целик - yr ля находящиriся в предельно напряженном состоянии, толчко;с~~~~:о деформируется в результате последовательного нарушения и во - ления равновесия между высоким давлением ядра и сопротивлением ?12-'УШ 1 1 1 1 С Вf{ЛЮч е нием пирита С Вf{лючением пи - 1 i ~ Однород ный То же ~ 0,8 : 0,6 1 1 1 / 1 13-l'l/l} i остаточной дефор Рис. 3.5. Изменение дефор мации не наблюдалоL:ь; 2. При 11 овтор11ом испытании образец № 7 был загружен лишь до 70 % предыду щей макошал ьн о й нагрузки . стал дсфор с 32 реперов от боf{а выработки ~1иронаться пластичесf{и и череJ 55 мин р,нрушилсн . ., При бурении шпуров для закладки реперов длинои до рита (повторно) 7,3 6, 13 у На шахте им. Урицкого в Кизеловском бассейне с nомо~:~н~:~ бинных реперов были выполнены наблюдения за деформ;р у ската целика угля , образовавшегося при остановке очистного за ;;_ 1 4 м №127 (рис. 3.5). Ширина целика 11 м, мощность пласта , , , маций в целике угля в период 7 по 13 августа [26] : 0,5; .. . 4 _ глубина заложения 10,'1 ~ о. 2 ~ ~ ' 0 ,,_Ell{g 11 ,,-1111 / h ~ '3 33 этому давлению периферийной части цел ика за счет трения пласта по кровле и почве, защемления его боковыми породами . Коэффициент трения при движении меньше коэффициента трения при покое, поэто му каждая подвижка совершается несколько дал ьше , чем нужно для установления равновесия, что и выз ывает вторую стадию толчкооб разного деформирования. С этих же поз иций в работе [37J о писано поведение краевой части пласта угля , расположе нной впереди очист о а d,МПа. rJ,MП11 Разр!/шение 32 16 28 21/ fZ ного заб о я . 20 Интересные результаты получены с помощью гидроподушек по оценке потенциальной удароопасности угольных пластов. Не касаясь этих результатов в части оценки удароопасности пластов , остановимся на тех из них, которые позволяют судить о характере деформирова ния пласта в условиях предельно напряженного состояния (рис . 3 .6) . fб 8 12 8 1/ 1/ Гидроподушка была заложена в заранее подготовленную щель в средней части пласта угля. Нагружение с помощью гидроподушки о сопровождалось наряду с упругими значительными неупругими дефор мациями. При достижении 10,5 МПа произошел толчок (микроудар), после которого давление в гидросистеме снизилось до 6 МПа в усло виях дальнейшего нарастания деформаций. При повторных стадиях нагружения произошло еще несколько толчков , но значительно мень шей силы и при давлениях ниже 8 МПа. Этими опытами еще раз подтверждается , что пласт угля , находясь в условиях предельно напряженного состояния, несмотря на значитель ное неупругое деформирование, сохраняет способность к накоплению упругой энергии и к многократному проявлению хрупкого разрушения в виде толчков (микроударов). Анализируя результаты испытания свойств угольных пластов с помощью гидроподушек, необходимо обратить внимание на изменчи вость модуля пропорциональности напряжение-деформация в зависи мости от создаваемых напряжений в пласте . В этом плане по инициа тиве авторов были выполнены спениальные опыты, при проведении которых подробно регистрировался не тол ько процесс нагружения , но d,Mna. 1,5 ~. % 1,2 о 0,01/ Q,08 Е,% Рис. 3. 7. Результаты натурных испытании пла стов V угля с (А помощью П Зап- . . гидроподушек с регистрацией процессов нагрузки и раз грузки рягаев, Г.Д . Морозов): а _ пласт «Четвертыи » V б - на шахте пласт « Соленый » на шахте 1-5 №- 40 Воркутинского месторождения; , V « Кочегарка» Донецкого бассеина ~рп:п:~е~~::;~~~~~~ ~зп;оаце:;~;fз~~~з~и значительно изменяется: его ф , 3 7 устанавливается, величина уменьшается по мере разгрузки . это обстоятельство должно учитываться при что модуль оценке энергетиV частических показателей хрупкого разрушени 51"',: наприм ер , в краевои опо угольного пласта впереди очистного забоя. Снижени:~~д~;:о:енJя иональности со.з д ает повышенные tюзможности :ергии упругого сжатия и повышения вследствие этого y:pai~~;:~:~~ ., · ти пласта Последнее подтверждается ;:р:~:е~~=р~:~ микроуда~ов и толчков в процессе работы комбайнов в очистном .забое . 8 З.1.4. Бурение скважин в зонах опорного давления 5 Одна из интересных особенностей зоны предельно напря;енного " Рис. 3.6. График , илл юс трирующий толчкообразн ое 2 О 34 повед ение пл а ста у гл я при 2 1/ 6 8 10 12 1'1 S ·10З нагру жении с п о м о щью r ид р о п оду шки ( Я . А .Б ич. 1953) состояния в угольном пласте заключае,тся в томv, ;;;е;::л {~~:оиб~ скважин в ее пределах уголь ведет себя как упругии . ~олчков V .. х пкому разрушению с проявлениями стрелянии , , :~:р~уд~lов и образованием вокруг скважины т~.к~е пр~;~ь;~:;п~;~ женной зоны в результате неупругих деформации рис . . . к' уже если б ы уд алось пробурить каким-то способом скважину попере 35 Максимум зоны опорного давления находится на гл убине буровой мелочи в зоне максимума возрос почти до скважины 43 мм), т. е . увеличился в 50 раз. 100 2-3 м. Выход кг/ м (д иаметр Чистое время бурения , т. е. время, в течение которого производится принудительная под ача ин струмента на забой в максимуме зоны опорного давления , практичес ки равно нулю, тогда как общее время бурения резко возросло из-за необходимости выдачи большого количества буровой мелочи. В про цессе бурения скважины фактически идет «саморазрушение» угля с об разованием вокруг нее зоны предельно напряженного состояния. Рис. 3.8. Схема, ил люстрирующая З.1.5. Область неупругих деформаций и величина опорного пре дельно напряженное со 1 давления стояние в краевой час 1 Эффекты разуплотнения и дискретности в угольном пласте в зонах ти угольного пластах и вокруг скважины I ;~;~~~ен::~:~:~=~~~~~;;~:н~:~ажины также возникла бы зона преНа рис. 3.9 приведен напряженного состояния ~и мер !1олучения ряда основных показателей в лаве No 723 шахты № iа~ои части пласта при бурении скважины - предельно напряженного состояния установлены на основе инструмен тальных наблюдений на шахтах Кизеловского бассейна еще в начале 1950-х годов. В [37] жек по неровным поверхностям природной и вызванной горным давле нием трещиноватости и слоистости (рис. « апитальная» в Кизеловском бассейне. R t,c r где r- 160 15 80 в лаве № 723 - № 2 «Капитальная»: вои 60 '20 12 60 2 у= t '1 20 ~] ~ · - L,N' сумма амплитуд тол- Мш - г -2 -1 Mj М0 , масса « нулевого» и избыточного штыба, вынутого с единицы длины скважины; М0 - масса «нулевого» штыба, вынутого с единицы длины скважины . чков I 11 ; 3 - содержание в буровой мелочи фрак '100 110 80 200 20 '10 1 - число толчков'\' . -п коэффициент разрыхления на контуре скважины; пласта шахты 3J7 г п, здесь п, комплексным методом 800 =-!+ ✓!+ д' 2 4 д= роопасности [37]: радиус скважины; 1200 Рис. 3. 9. Оценка уда 3. 10). Радиус зоны неупругих деформаций определяется по формуле 2N 1'100 приведены расчетные зависимости для определе ния величины разуплотнения краевой части пласта угля за счет подви и -,~~~=:!:J:~~,L-=~.5 ции размером больше Рис . 3.10. Схема разуп 3 мм , п ; 4 - удельный лотнения краевой части выход буровой мелочи пласта угля за счет подви Р; 5 - общее время бурения t; 6 - чистое вре мя бурения r; 7 _ д иа- жек по неровным поверх ностям трещиноватости и слоистости метр скважины а 36 37 радиуса области неупругих деформаций по массе выбуренного п,.=1, 1 штыба при различных коэффициентах разрыхления п,. • Установлено, что коэффициент разрыхления п, заметно влияет на величину радиуса зоны неупругих деформаций и величину опорного давления при изменении его в интервале нении п, в интервале 1,4-2 . Величина угла 1, 1-1,4 и слабо - при изме внутреннего трения р сильно влияет на величину опорного давления при изменении в интервале 35 ° 8 и слабее при изменении р в интервале 25- 5-25 °. Степень надежности определения нагрузок, действующих на уголь ный пласт в зоне опорного давления, по выходу бурового штыба су 6 щественно зависит от точности определения сцепления и угла внут реннего трения в массиве пласта. При этом, если значение угла внут реннего трения приближенно можно брать из паспорта прочности , полученного при испытании образцов угля, то сцепление, по-види 2 мому, будет определяться в зависимости от соотношения размеров макроструктурных Q 5 1Q 15 'g давления от величины У при различ ных углах внутреннего трения Р и в краевой части пласта угля с предельно напряженным состоянием 2/J Т давления от величи ны У при различ ных коэффициентах разрыхления п , углах внутреннего трения в пласте уг;~. нога штыба при различных опорного давления по массе выб диаметра скважины Рис. 3. 12. Зависимость опорного ~пао~:~-г~-~~;;~~~;~:в:::~:' ;:,~ис::ости для расчета: коэффициентах разрыхления; пласта угля, области неупругих деформаций. 15 Рис.3.11. Зависимость опорного элементов 0---5~-,.~'(J:---:-±,--..L_J УР ~н ноrо штыба при различных /J=д.. В заключение отметим, что в научно-технический литературе зона часто отождествляется с зоной нарушенного угля или с зоной его плас тического состояния. При решении некоторых вопросов такое отож дествление вполне допустимо. Однако предельно напряженная зона в краевой части пласта или целика угля должна рассматриваться как такая зона, в пределах кото рой в результате упругопластического деформирования пласта возника ет предельное распределение напряжений. Переход пласта в предельно напряженное состояние может происход~ть, как правило, толчкообраз " но и сопровождаться резкими подви.жками и микроразрушениями. Л,-=1,1 Из такого толкования зоны предельно напряженного состояния сле дует, что, несмотря на то, что в указанной зоне пласт угля претерпел существенное деформирование и разуплотнение, он тем не менее со 20 хранил способность к накоплению упругой энергии и, следовательно, к хрупкому разрушению в форме горных ударов. Последнее подтверж 16 дается практикой ведения горных работ на пластах, опасных по горным 1Z ударам. Несмотря на то, что ширина зоны с предельно напряженным состоянием в очистных забоях достигает иногда 8 Рис. 3.13. Зависимость радиуса области неупругих деформаций от о 38 5-6 м, внедрение в кра евую часть пласта даже на небольшую глубину сопровождается микро 5 tQ 15 20 1' величины У при различных коэффи ниентах разрыхления п,. ударами и толчками . Рассмотренное выше о зоне предельно напряженно го состояния, образующейся вблизи горных выработок по угольному пласту, в своих основных чертах относится вообще ко всем горным вы работкам, проведенным в любых других горных породах в условиях, когда напряжения превышают предел прочности породы при сжатии. 39 3.2. РАЗНООБРАЗИЕ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ подвижки по разломам, нарушениям , макроструктурным поверхнос тям в породах, а, следовательно, возможно образование предельно В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД ЗОН напряженного состояния в отдельных небольших участках и возник ПРЕДЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ новение динамических явлений (разрушений) с выделением сейсми ческой э нергии . Как будет показано ниже, в зонах сжатия земной коры в верхних частях, прилегающих к земной поверхности, создаются 3.2.1. В земной коре д остаточные Одним из основных признаков на ного состояния массива го ных по ление сейсмичности При/ем чем юльше интенси сеисмичности, тем значительнее v • ность деформирования и Е личия зо~~ предельно напряжен- брод в земнои коре является проява разрушения в них жегодно в земной коре прои что приводит во многих ел вность проявления р змеры этих зон и сильнее актив- . сходят сотни крупных землетрясений большее число землетрясен~;ая\к значительным разрушениям . Наи~ (75%) и Альпийского (2307') на людается в пределах Тихоокеанского /о поясов Тихоокеанс .. границе океан - суша Ос . кии пояс проходит по · новная часть выдел э нергии приурочена к эпиц ившеися сеисмической океана через Новую Зелан ентрам, расположенным по контуру Тихого v v моновы, Тайвань, Японск:;iа~строва Тонга, Самоа, Фиджи, Соло западное побережье Север~ой ~атку, Алеут~кие острова, Аляску и Альпийский пояс проходит че 'ез ентральнои и Южной Америки. каны, Турцию, Среднюю Ази: Средиземноморье, Италию , Бал Западный Китай В указа ' Иран, Афганистан, Памир Тибет: · с магнитудой более сильные нных поясах час 8 В . · срединных землетрясения с н ,5 ' , то происходят землетрясения частях O V , кеанов происходят не- е ольwои глубиной O ( б чага о ычно в ере- дин но-океанических хребтах) В сейсмичность слабая. . широтах более 600 обоих полушарий В районах интенсивного проявле конечно, бесчисленное про v сеисмической энергии раз ния землетрясений имеет место явление мелких разр v ' условия для перехода горного массива в предельно напряженное состояние . З.2.2. При разработке месторождений В параграфе 3.1 были показаны условия образования и характер проявления зон предельно напряженного состояния при разработке угольных месторождений и сделано заключение, что сказанное в полной мере относится и к разработке других твердых полезных ископаемых. В дополнение к этому отметим следующее . Толчкообразное деформирование массива горных пород присуще отработке твердых полезных ископаемых и связано с возникновением зон предельно напряженного состояния, увеличением их размеров, формы, взаимодействием между собой по мере развития горных работ на шахтном поле или на месторождении в целом. При этом весьма существенным является вопрос - находился ли массив горных пород в предельно напряженном состоянии еще до горных разработок или такое состояние в нем ранее не имело места . При появлении выработанного пространства (полости) больших размеров в зонах преобладающеi-о,., сжатия земной коры, т. с. при наличии естественного предельно напряженного состояния массива, нарушается равновесие в части зоны предельно напряженного состоя ния всего массива, а поэтому перераспределение напряжений может ушении с выделением распространяться значительно глубже мест ведения горных работ. дельно напряженного состо . к же как в зонах преяния, рассмотренны к угольному пласту в зон х выше применительно , ах, опасных по зем класса, постоянно идут п о летрясениям разного Примером здесь может быть отработка свиты пластов общей мощ V нои интенсивности Та сива горных пород в стре~л~=~~ы ~~формирования и разрушения мас новесия в одном месте влече же в нескольких соседних у д бт~_чь равновесия. Достижение рав- т за со ои его потерю частках. в соседнем или да- Отдельные разрушения блочног венных условиях могут прои о массива горных пород в естестсходить в районах " тающихся сейсмически активными земнои коры, не счи- предельно напряженного состоян . В этих_ раионах обширные зоны 40 V ия отсутствуют, однако возможны ностыо 30-40 м на Ткибули-Шаорском угольном месторождении в сей смически активном районе. При наклоне пластов работы д остигли глубины I 20-40° горные км, в то время как толчки или возбуж де нные мелкофокусные землетрясения техногенного характера с энер гией до 106 - 109 Дж возникают здесь на глубинах до превышающих глубину разработки и в ного пространства (табл. 1,5 раза - 3 км, т. t::. в 3 раза ширину выработан 3. 2). При отработке же Северо-Уральских бокситовых месторождений, где размеры выработанных пространств значительно меньшие , появ ление толчков с э нергией ICY-1 ох Дж имеет место на меньших глубинах. 41 Результаты исследования влия месторождений Таблица З. 2 ния параметров отработки на проявление сейсмичности ни, в течение которого проявлялись афтершоки, - от нес1<ольких дней до нескольких месяцев (И.П . Пасечник 15)). Очаги землетрясений и афтершокон отмечаются на расстояниях 20-40 км (иногда более) от места взрыва. Американские сейсмологи ныскюали преJJ,положение о 1ю1мож- ности использования глубоких (3- 5 км) ядерных взрывов неличиной Месторождение шахта ' Н/Н с LIH 1-10 мегатонн в сейсмоактивных районах для снятия напряженного состояния в литосфере, в целях предотвращения возможности вознИI< новения разрушительных землетрясений в данном районе (И.П.Пасеч ник [5]) . Это может в отдельных случаях 01<азаться действительно эффективным, но лишь тогда, когда орrанизонано изучение rеодина мической обстаношш для значительного региона земной коры и вы Ткибули-Шаорское 2 3 угольное 3 1,5 Северо-Уральское бокситовое: шахта № 15 шахта № 14 027 ' • Максимальная глубина проявления сейсмич сит от ширины выработанного про раза Н возрастает в 4 3 ра 1,4 1 0,8 0,9 ности Н" напрямую зави странства L: при увеличении L в 2 5 увелич~вается Н / Н н' а шаза с~. lт4абл. 3.2). Кроме того, в 3 ра~а " · хте ;~9 наприм разработки вызывают переход - ' ер, видно, что горные лишь на участках массива •1е в предельно напряженное состояние , г посредственно приле вавшимся локальным выработанным п о rающих к образощественных изменений в мае обстановкой. В противном случае проведение ядерного взрыва и, следовательно, возбуждение с его помощью землетрясения может при вести к непредсказуемому появл ению опасности в соседних районах 6'~ g:; бора на этой основе осуществления оптимального управления этой ( р странствам, не вызывая су сиве, расположенном ниже. земной коры. Таким образом, при мощном ядерном юрыве происходит появление в горном массиве новой зоны предельно напряженного состоя ния на фоне существующего здесь естественного предельно напряжен ного состояния с возникновением, следовательно, условий для сущест венного повышения сейсмичности. З.2.4. При разработке нефтяных и газовых месторождений Наведенная сейсмичность, связанная с разработкой жидких и газообразных полезных ископаемых , неоднократно отмечалась в США, б. СССР (Узбекистане, России , Дагестане и др.). 26 3.2.З. При подземных ядерных взрывах мая 1971 г. в районе Староrрозненскоrо нефтяного место рождения произошло нызванное нефтяными разrаботками земле При проведении мощных кам ф мически активном районе Н у летных ядерных взрывов в сейсевады отмечено в ированных взрывами мелко озникновение иници- трясение с магнитудоii 4, l и гипоцентром 2,5 км (М. Н.Смирнова [5J). На зем ной поверхности интенсивность колебаний составила 6 баллов маrнитудой порядка 5,5-6. фокусных тектонических землетрясений с при осно'вном толч·ке и 5 баллон при афтершо1<ах. Произошло по " Землетрясения и афтершоки связаны с п сеисмогенным разломам М одвижками по известным · ощные взрывы ст том от нескольких десятков килотонн ротиловым эквиваленрои в сотни и тысячи землет яс ~о однои мегатонны инициируют разрушились крыши. Капитальные стены и перегородки деформиро V землетрясений (наиболее мо р ении. Магнитуды инициированных щных из них) на одну ше, чем магнитуда взрыва Э -две единицы мень- · ти землетрясения п глу б инах, что и естественные (8-13 км) Н роисходят на тех же сения происходят в первые 5-20 . аиболее сильные землетря- 42 с после взрыва. Промежуток време- вреждение колонн н некоторых скважинах, упали кирпичные трубы, вались и отклонились от вертикали, разрушены и перекошены дверные и оконные перемычки, арки. Размеры площади сотрясений составили 144 х78 км 1 . В этом районе отмечались естественные землетрясения н 1868 , 1902, 1914, 1938, 1952, 1960 и 1961 rr. Наблюдалось множество от носительно слабых толчков. Самое глубокое землетрясение произошло 22 июля 1973 г. с гипоцентром 22 км. 43 Сейсмограммы Старогрозненского землетрясения обладают всеми чертами сейсмограмм, записанных для естественных землетрясений: резкие первые вступления, большие амплитуды колебаний, периоды колебаний 1-2 с. Землетрясение имеет тектоническое происхождение, возбужденное нефтяными разработками [5]. К числу возможных при чин возбуждения землетрясений относятся: извлечение и закачка флюида, разрушение коллектора, изменение пластового давления и пластовой температуры. Процесс разработки месторождения сопровож дается резким изменением пластового давления. Так, в первой скважи не давление упало с 69 МПа в 1964 г. до 44,5 МПа в 1971 4 МПа в год, однако в 1969 г. оно снизилось на 11,5 МПа). г. (на 3- На нефтяном месторождении Веллингтон (Калифорния) за период с 1937 по 1960 г. оседание поверхности достигло 10 м. В Венесуэле З.2.6. При строительстве и эксплуатац ии rидростанций ясениях стимулированных В табл. 3.3 приведены данные о земл~J И Кали~ин и И .П.Кузин, сооружением крупных ~одохрани1:и~тив~о~тью и уровнt:м заполне1982 г.). Связь между сеисмическои а 3 15 дена на рис 3.14 и · · ния водохранилища приве б Рассмотрим более подро но один .из примеров влияния сооруже- ния водохранилища на сейсмичность. Таблица 3.3 Данные о землетрясениях, крупных водохранилищ возникших под влиянием 1982 ) (по И.И. Калинину, И.П. Кузину, r. оседание земной поверхности на нефтяном месторождении по сосед ству с озером Мара-Като так велико, что созданы плотины для защиты прибрежной зоны от наводнений. В работе [5] делается вывод о том, что землетрясение возбуждается нефтяными разработками, а именно: отбором нефти и закачкой воды. Тем не менее по вопросу конкретных возбудителей землетрясения ::с ::s: ,,...._ .- ::s: Плотина (страна) Марафон (Греция) появление техногенной зоны напряжений, вызванной нефтяными Гувt:р (США) разработками. Вызванные техногенной деятельностью изменения в Кларк-Хилл (США) Синфыньцзян (КНР) Кариба (Родезия) Грандваль (Франция) Канеллес (Испания) Куробэ (Япония) Вайонт (Италия) Монтеньяр (Франция) ранее зоны предельно напряженного состояния. З.2.5. При закачке воды в скважины Большую роль в интенсификации сейсмической активности играет и такой вид воздействия на массив горных пород, как закачка воды в скважину. Так, в штате Колорадо (США) закачка сточных вод в сква жину глубиной 3671 мв 1962-1966 гг. вызвала более 1500 толчков с магнитудой 1,5-3 ,4 и гипоцентром 1,5-5 ,5 км. Землетрясения начались после закачки 15,2 тыс. м 3 воды [5]. Интенсификация сейсмической активности в данном случае, по ::с ::с ,Q ::s: '-u <,:\ ::с 63 221 67 105 128,3 88 150 186 261 155 103 Койна (Индия) 165 Кремаста (Турция) 118 Бенмор (Новая Зеландия) Баджина-Баста (Югославия) 89 236 Оровил (США) 300 Нурекская (СССР) 162 Талбинrо (Австралия) Дожкасси (США) нашему мнению, вызвана образованием под воздействием закачки Токтогульская (СССР) воды новой зоны предельно напряженного состояния в массиве пород Кебан (Турция) вокруг скважины. Чиркейская (СССР) Ингури (СССР) 44 u ~~ По мнению авторов, землетрясения здесь возникали потому, что проявления сейсмичности в процессе видоизменения существовавшей .- »О естественную зону предельно напряженного состояния осложнило толчкообразного деформирования массива горных пород и усилению ..а <,:\ 1::[ единых мнений нет. зоне предельно напряженного состояния приводят к интенсификации '-' 133 215 207 233 272 0,6 37,5 2,5 10,5 160,3 -'J,3 0,7 0,2 0,1 0,2 2,7 4,7 2,1 0,3 4,3 10,4 0,9 1,4 19,5 31 2,7 1, 1 1930 1936 1952 1959 1959 1959 1960 1960 1961 1962 1964 1965 1965 1966 1968 1969 1971 1972 1972 1973 1974 1978 1938 1939 1974 1962 1963 1963 1962 1961 1963 1963 1967 1966 1966 1967 1975 1972 1972 1975 1979 1974 1974 1979 5 5 4,3 6, l 5,8 4,9 4,9 6,5 6,3 5 4,5-5 5,9 4,5 3,5 3,2 4,7 3,5 4,9 4,3 45 7 см и более. Перед землетрясениями уровень воды в скважинах повы шается . Так, в Австралии перед семибалльным землетрясением 14 ок тября 1968 r. за 1,5 ч повышение составило 29 мм, а через два-три 160 fJ/0 часа после землетрясения уровень воды стал плавно снижаться. В районе озера Иссык-Куль 5 июля 1970 r. произошло 8-9-балльное 1.... ~ землетрясение. В скважине, расположенной в 35 км заn:щнее эпицен тра, повышение уровня воды составило 15 см. Повышение уровня во ды, по-видимому, связано с дополнительным сжатием массива горных 120~ ~ 100 пород вследствие возрастания его напряженности. ~ i 80 По данным Н.И. Николаева [5], вскоре после начала заполнения водохранилища Синфыньцзян (Китай) с высотой плотины 105 м и объемом 11500 млн. м 3 начались землетрясения. Сильный толчок с магнитудой 6,1 произошел 19 марта 1962 r. (8 баллов). К декабрю 1972 r. произошло более 250 тыс. толчков. Эпицентры землетрясений ~ 60 ~ 2 ~ 1/Q ~ ~ 20 ~ F-=~~~~~~!L!!!...Л.....!._.![J .___ __:;~:.:..__ _L_...f.~~-_J ~ ~ ~ Рис. 3.14. Графики ло- •~ вышения уровня воды в водохранилище ([) и ~ сейсмической активное- ~ ти (2) (по И.Г.Киссину) А.М.Бабаевым, В.К.Кулагиным А МЛ анализирована возбужденная ысковым и другими про· хранилища - до, во время се_исмичность вблизи Нурекскоrо водоV , • • д о за полнения водохранилища наб и после его заполнения [51 . слабых землетрясений с гл биной ;юдалось ~?ывание количества трясений наблюдался на rлу/ине 20~52 ~:,альныи максимум земле было сосредоточено 80о/с ,с На глубинах менее 10 км С 1960 ло с • о слаоых землетрясений. в среднем за ква . 1971 r. ( . < ргал возникло 26 землетрясений r. начало заполнения в< . , уровень повысился до 40 событиv )Дохраннлища) средний когда уровень воды достиг 100 : • ~ в г~оследнем квартале 1972 r., Достаточно высокий уровень сох . ' р~изошло 113 землетрясений. (85 толчков), после чего чис ран ился и в первом квартале 1973 r. ло толчков упало до уро 1971 К ляция между колебаниями вня г. орреслеживается достаточн~ о~~~твлня водоы и числом землетрясений проино. тмечено изме очагов землетрясений. Если с 1969 по 19 нение глубины глубине до 5 км, то в период с 1972 по 19;~ г. 8?% о~агов возникло на шло 95 % толчков. r. на этои глубине произос начала же 1971 Сосредоточение толчков наблю ает .. имеет место максимальный пе епа д ся в ~аио11е ниже плотины , где Приливные деформации fемл~ давле_нии в массиве горных пород. зынают колебания напоров в нодон~ _по д<1нным И . Г.Киссина 15] , вы % сных горизонтах с амплитудо" иоо в значительной мере расположены вблизи плотины, где глубина воды максимальная. Гипоцентры - на глубине 1-11 км (чаще 4-7 км). За 20 дней до главного толчка с магнитудой 6, 1 сейсмичность постепенно уменьшилась и землетрясений с магнитудой большей или равной 3 не было. В результате землетрясения произошло повреждение плотины , разрушились здания и сооружения. Ниже приведены интересные обобщения Н.И.Николаева о прояв- лении сейсмичности при гидростроительстве [5J. 1. По величине магнитуды возбужденных землетр ясений выде ляются: водохранилища с микросейсмичностью, водохранилища с землетрясениями с магнитудой от 3 до 5, наряду с микроссйсмич ностью, водохранилища с возннкнонени~м землетрясений с магни тудой более 5, сопровождаюшихся большим числом афп:ршоков. Для подавляющего же большинства нодохранилищ, в том числе очень 2,'I· i:: :!' 2 i ~ 1.б ~ f,2 ~ 0,8 1::1 Рис. 3.15. Зависимость числа толчков от подъема уроння воды в водохранилище Кремета (по И.Г.Киссину) ~ 0/1 ~ Q-._.,__.,__....&,. ____~ ~ 220 2:JO 2'1/J 25tJ 250 поаъем уроdнн dotJы, м 47 емких и с большой высотой плотин (более l00 м), характерно отсут 2. 6 Глубина очагов возбужденной сейсмичности не превышает 5- км, число толчков при заполнении водохранилищ изменяется от десятков до нес1<ольких тысяч в год. 3. Большинство возбужденных землетрясений располагается в районе плотины. 4. Усиление сейсмической активности происходит после поднятия уровня воды, ослабление ление 5. - - при стабилизаuии уровня и резкое ослаб при его понижении. Для водохранилищ с интенсивными землетрясениями соотно шение магнитуды наибольшего афтершо1<а и главного толчка является высоким 6. 7. (0 ,9). Опасная сейсмическая активность возникает при высоте плоти ны более 90 м и объеме воды более 109 м3 . Выявляются зависимости толчков от геологических условий - геоморфологической обстановки, геологического строения, тектони ческих и тектонофизических условий : расчлененный рельеф (наиболее экономичный вариант для проек тировщиков), сложное геологическое строение (Нурек, Токтогул , Гир кей, Инrури), наличие интенсивных новейших тектонических движе ний, активная естественная сейсмичность района благоприятствуют проявлению сейсмичности при заполнении водохранилища; наличие мягких грунтов, спокойно залегающих осадочных горных пород, отсутствие разломов не способствуют накоплению напряжений и не приводят к толчкам после заполнения водохранилищ. 8. Уровень · напряжений, вызываемых тектоническими дефор маuиями, еще до появления водохранилища должен быть близким к прочности среды. В результате анализа выводов И.И.Николаева можно установить: в районах, сейсмически не активных, т. е. в которых я естественном состоянии 3.2.7. При бурении сверхrлубоких скважин боких скважин «Кольская ствие сейсмичности . предельно напряженное состояния массива . горных пород отсутствует, заполнение водохранилища не сопровождается сейсмичес кой активностью; С увеличением глубины бурения сверхrлу . жнились условия их . . cr -4» существен ноб осло СГ-3 » и «Уральск,1я . е•1ь1 устойчивости ствола возникают про л " проходки. Прежде всего личения кривизны. По этим nри- чинам имеют место заклинивания ури скважины, кавернообразования , ув~ рового инструмента . льной колонки и прихвата бу его с высокими напряжениями , Эти сложности связаны прежде вс Известно, что районы бурения действующими в массиве горных пород.о горизонтальные напряжения арактерны тем чт указанных скважин х ' кальные напряжения, опрев массиве значительно превышают верти де всего о наличии в них деляемые весом породы, что говорит nреж женного состояния масси- предельно наnря условий для существования тественном состоянии. ва горных пород в его ее б рения скважины возникает npeHa больших глубинах в процессе у ой скважины Этот переход дельно напряженное состояние и вокруг са;;юждается юш~рнообразова в предельно напряженное состоян;е ~~:~моrо материала и происходит нием повышенным выходом вы ур . умента. ' ихваты бурового инстр толчкообразно, вызывая пр б нимание на неправильное, по В связи с этим можно о ратить в ого при бурении «Кольской мнению авторов, толкование обнаруж::ия плотности горных пород СГ-3» явления скачкообразного Уr:1ень ждения упругих волн, увели (на глубине 4,5-6,8 км), скор:сте:н:~~:~ыли получены на образцах, чения пористости пород. Эт д е в зону предельно напряжен прошедших «обработку» при их переХ<)Д · скважины или ноrо состояния вокруr прохождения упругих волн в зонах, пере женное состояние . б В подтверждение сказанного о рати п ри измерениях скорости шедших в предельно напря- мся к результатам испытаний на установке высокого давления (ВНИМ~)-выполненные во ВНИМИ, Опыты на установке высокого давлен б' уровой мелочи в процессе \Х усЛОВИЯХ ВЫХОД показывают, что в такt минальным горные породы . сравнению с но ' бурения возрастает п 0 но напряженное состояние, дящихся в предельно напряженном состоянии, при заполнении 1юдо nереходят в предель пород и следовательно, ом разуплотнения , сопровождаясь э фф ект м скорости прохождения упругих хранилиша повышением порис в районах, активных по проявлению сейсмичности, т. е. нахо имеет место переход массива в предельно напряженное состояние другого порядка и, вследствие того, происходит активизация сейсмичности; активизаuия сейсмичности происходит главным образом в периоды нарушения стабильности в массиве горных пород (повышение уровня водя с определенного уровня, его сниж е ниt::). 48 вокруг скважины •тости и снижение б азце из крепких пород, когда ради- волн. При бурении скваж;ны в: равильной установке в два-три раза альные напряжения на о разец д и выход буровой мелочи воз превышают предел прочности при сжлатьиног'о Увеличение выхода буроаз против номина · растает в три - пять р уров (скважин) особенно четко вой мелочи (штыба) при бурении шп 49 установлено при ведении аб угольных месторождения/к о; по углю на глубинах 700-1000 м на отмечалось в зонах опор уз асса, Воркуты , Кизела и др. Как уже ' ного давления O б ход буровой мелочи часто пре вышает нами , со енно vв целиках угля ' вы- Таким образом вокруг гл б нальныи в 5-30 и более раз бурении возникает'зона пред у оких и сверхглубоких скважин при и; ельно напряженн жно учитываться при выборе спосо б ов жин. В противном случае бу ого состояния, что дол- ' в и режима бурения скваСГ-4 ниже глубины 10-12 рение сверхглубоких скважин типа СГ-3 и средст Кроме того, поскольк/~с~:в:~:ится невозможным. жин заключается в оценке ф назначение сверхглубоких сква- , v мых пород, то все методь1 оцизико-механическ их своиств перебуривае- горных пород в ее окрестности. Характер изменения параметров с удалением от выработки описывается теорией опорного давления. Некоторые кривые, характеризуюшие изменение ряда параметров в зависимости от расстояния от горной выработки (скважины), приведены на рис. 3.16. Это приводит к тому, что измерения параметров в зависимости от разноса L между излучателем и приемником, проводятся либо в разгруженной зоне, где упругие свойства пород сушественно отли чаются от реальных (без влияния скважины), либо регистрируются первые вступления волны, проходящей по максимуму опорного дав ления (там максимальная скорость, см. рис. 3.16, кривая г). Получение характеристик за максимумом опорного давления с использованием рименяются в настоящее принятого в настояшее время подхода невозможно. Чем на большей тельство в разведочных раб;т:руг скважины. К сожалению, это обстоя радиус влияния скважины и тем большая ошибка возникает в опре- енки время' должны учитывать на ' состояния, возникающего в гими неточностями и д Э , которые п личие зон предельно-напряженного х не учитывается, что сопряжено со мно- аже, ошибками тот вопрос может быть проиллюст. . вания метода акустического ка * рирован на примере использо- нии излучателей и приемникоротажа.' заключающегося в установле до 4), возбуждении в пересечен в упругих колебаний (как правило от 2 б ных скважиной коле ании, их приеме изм горных породах упругих , ерении временнь ров принятых сигналов и вь1ч IX и амплитудных параметислении парамет своиv ров, характеризующих фнуизико-механические ** • сновными характеристи ства горных пород , окружающих скважи0 мощью акустического каротаж ками горных пород, изучаемыми с поV глубине от поверхности земли проводятся исследования , тем больше делении упругих свойств. Авторами предложен способ, учитываюший изменение упругих свойств в окрестности скважины за счет действия «эффекта опорного Для этого, предварительно, расчетным путем или с помошью рекогносцировочных измерений определяют расстояние от стенки скважины до максимума опорного давления, излучают и принимают упругие колебания не менее двух раз с глубиной проникновения акустической волны в горные породы, не меньшей расстояния от давления». V V а, являются ско Р' s и коэффициенты затухания рости распространения соответственно. С ними ф аР, as продольных и поперечных волн ункционально свя теристики горных пород заны все остальные харак- д а в ' определяемые при такие как модули упругост и, пористость и т дакустическом каротаже ' у v водства данных работ (наприме . . строиство для произ ротажный зонд*** и назе __ Р, аппаратура типа СПАК) содержит ка мныи измерите Однако при выполнении да льно-вычислительный блок упругих свойств н окрестное нных работ не учитывается изменени~ v опорного давления» [39] • П рохождение горн vсчет деиствия «эффекта б и скважины) изменяет геомеха нические и ои выра отки (в том числе геофизические параметры ти скважины за * Составлено участием А · И •Б аданина С Н Мул ** Л атышева сМГ С Сидорова 1975 З , . . ева и В .. *** .. , , апорожец В . М ., 1983 . Стандартные зонды аппарат ы . (П) и два излучателя (И) упругих ко1~ант:;ш СПАК имеют один приемник лями S=0,5 м и расстоянием с расстоянием между излучатеLS= 1 5 м ' приемником (принятое обозначение ИО ' 5И 1, 5П или ИО , лем 5И2,и ОП) 50 между излучате Рис. 3.16. Изменение параметров по мере удаления от горной а - распределение напряжений в зоне опорного давления ; 6 - распределение числа дисков с одного метра скважины; в - распределение электро сопротивлений; г - распределение скоростей сейсмических волн; д - рас пределение усилий вдавливания индентора в забой и стенки скважины выработки: 51 t стенки скважины до максимума опорного давления, а также не менее четырех раз с глубиной , меньшей этого расстояния , и вычисление параметров, характеризующих свойства горных пород , производят с использованием аналитических зависимостей изменения опорного давления от расстояния до скважины . Аналитические кривые , приведенные на рис. 3.16, описываются (аппроксимируются) либо кусочно (опорное давление до точки макси мума описывается линейной зависимостью от расстояния до выработ ки), либо непрерывной зависимостью, которая и необходима для Рис. 3.17. Вид общего го дографа волны Xmax решения задачи. Как показывают приведенные исследования, зависимость, факти чески и по форме наиболее близко описывающая характер изменения какого-либо параметра с удалением от выработки, имеет вид стоянная· Н - глубина скважины (глубина где у - гравитационная по ой изуч;ются параметры горной породы); скважины до точки , в котор R_ радиус скважины; сrсж - породу. Рассмотрим (3 .1) где P(z) - исследуемый параметр; Р0 - исследуемый параметр на границе горной выработки (скважины); Р"' - исследуемый параметр на бесконечности (выработка влияния не оказывает); z - расстояние от выработки; k, п - постоянные . Например, для скорости распространения акустической волны поста влияние опорн ого давления на результаты акусти- ческоrо каротажа. екай волны от излучателя до прием- Время прохождения акустиче и Волну регистрируемую по ника зависит от разноса L меж::е н=~ж~о расс~атривать для разноса первому вступлению при кар.?т н~с соответствующий глубине про(Х - минимальныи раз , фрагироmax max мума опорного давления), как ре никновения луча до макси > Х как головную волну. Стандартванную волну, а при разносах L mах~стрируемой по первому вступ L<Х ный вид общего годографа волны, рег лению, приведен на рис . 3.17 .v При этом значение V(z) достигает максимума V(z) ,,x при формулой: 11 (что равно расстоянию до максимума опорного давления). Максимум опорного давления достигается при расстоянии от стенки скважины или выработки о;,)/{' величина максимум~ ] о;;,ах 52 - .J о;_,,, ),;., ,5 )fll JfJ + q;, L(z,,. ) ~ ,;,, 2 (3.3) V(ZylZ !✓(v' (z,,. )- v' (z)) · Приближенное соотношение на основе глотца-Вихерта) (там же, стр . 1/ 3 Z.,шх = 1,1( ;Я) R r одографа некоторые соотношения. . необходимые в дальнеишем. афа (рефраrированная волна). Для первой части общего roдorp L и максимальную глубину Соотношение, связывающее разнос (1990) описывается проникновения лучаZт, следуя В . П.Нолюконову , Приведем для эти: частеи (3.2) янная характеризующая горную ' ф ормулы Чибисова (Гер 199): dV) ~ dz,,,~(z,,,) ( dz _ L -,,, ф (3 .6) ф гированной волны в виде ряда Из представления годогра а ре ра для какой -то максимальной глубины пр о никн (3.4) (3.5) овения луча Z = Z ,,, 53 выразим Лt/ЛL (здесь для наглядности б разложения. В принципе с ть не и точности брать большее 'ко~ будут более громоздкие) : Лt зменится, если для повышения толь ф , ко ормулы ичество членов ряда !3(dV) clz _ 1 dt ерем только 2 первых члена (3.7) = V + 8V3 -,,, + Вторая часть годографа (головная в~лн а ) · С корость, определенная годографу для L > Х ЛL ~ dL по опо - "'"' ' равна скорости в области максимума рных нагрузок . ЛL!Лt;::;;V111ах = const Исходя из общего годографа ( (3. 8) 3 ров, подлежащих определению в см. рис. . 17) и количества параметизмерении получить ми ним , формулах типа (3 .1) необходимо при волны и четыре - в зоне р/м две точки на годографе в зоне головной чества неизвестных в форму!~~;~f~~анной волны (исходим из колиНа основании (3.5) - (3.8) напишем систему уравнении для нахож" I опорного давления (используем также дения скорости V вне зонь формулу 3. 1): - v первое уравнение из данных головной волны: ЛLг Лt _ - V тах ' п олученных при наблюдении в зоне и + г~=~~~~~=== (va - Jt;, )z,~,ax ((k2 - z2 )2 + 4п2 _2 ) , = Уа 1 IШt X 1k 2 где z,шtх -- -V \, - ЛL г 2 п 2 ,· и Л t,. - (3.9) ... 111ах . разность соответстненно между излучателем и приемником и в разносов - уравнения из данных, пол ~енн~;;~н пр~хода головной волны; фрагированной волны (всего 3 ы ри ~аблюдении н зоне ре Ja на годографе в зоне рефрагирован~оi~~;:::;~и при наличии 4 точек Лt р; _Л_L_ ~ pi - l ~; J3(~dl~)_ :: + - - --' -'!!!... "' + · · · 3 8V: , (3.10) (3.11) 54 где i = 1, 2, 3; ЛL . и Лt . - разность соответственно соседних разносов между излучателем и приемником , и времен прихода рефрагированной р, р, волны. Всего получили 7 уравнений с 7 неизвестными: k, п , Vu., V0 , z,,,; (где i=l, 2, 3). Система уравнений (3.9)-(3 . 11) решается численно. В результате получаем Va и другие параметры аппроксимации для формулы (3 .1) , характеризующие параметры горной породы. При наличии большого количества точек наблюдения на годографе в зоне рефраrированной волны возможно получение оценок точности нахождения искомых параметров. Использование предлагаемого способа для акустического исследования упругих свойств пород в скважинах позволяет увеличить досто верность и точность измеряемых параметров . При этом , исходя из фактического материала, можно избежать ошибки, достигающей де сятков процентов (зависит от глубины скважины и пересеченных гор ных пород), что , соответственно, поможет давать более достоверные заключения по материалам исследований (например, при оценке газо и нефтесодержания) и избежать существенных материальных потерь из-за ошибочной оценки искомых параметров. З.З. НЕКОТОРЫЕ ОБОБЩЕНИЯ Рассмотренные выше представления о поведении угольных плас тов в зонах предельно напряженного со<;;rояния, базирующиеся на обширных инструментальных наблюдениях в шахтах, на лабораторных испытаниях угля и пород, и примеры, характеризующие условия появления зон предельно напряженного состояния горного массива при других техногенных воздействиях позволяют сформулировать некоторые общие положения. 1. Литосфера в целом находится в своеобразном предельно на- пряженном состоянии . Однако это не означает, что каждый участок ее находится в таком состоянии . На фоне предельно напряженного состояния в массиве пород имеет место крайне дискретное распре деление напряжений , когда -участки с предельным состоянием переме жаются с участками относительно разгруженными . Именно такое дискретное распределение напряжений и, следовательно, потен циальной э нергии упругого деформирования пород является ис точником нестабильности как в массиве литосферы в целом, так и на отдельных ее участках. 55 массива горных пород в проц 2. Естественные проявления сейсмичности имеют место на тех участках земной коры, которые испытывают интенсивное горизонталь ное сжатие, достаточное для того, чтобы массив горных пород перешел в предельно напряженное состояние. Динамические явления с выде лением сейсмических волн есть результат последовательного наруше ния и восстановления равновесия на участках массива горных пород, находящихся в предельно напряженном состоянии. 3. В случаях техногенного воздействия на такой массив (разработка полезных ископаемых, сооружение и заполнение водохранилищ, бурение глубоких скважин, атомные или обычные мощные взрывы и др.) на существующее поле предельно напряженного состояния накла дывается возникающее дополнительно поле, обусловлеююе инже нерной деятельностью. Массив горных пород переходит в предельно напряженное состояние второго порядка с обязательным проявлением сейсмичности. Последующие техногенные воздействия каждый раз вызывают новые нарушения равновесия на отдельных участках массива пород и, соответственно, возникают предельно напряженные состояния третье го, четвертого и других порядков, сопровождаясь сейсмическими явле ниями той или иной интенсивности. Таким образом, массив горных пород участка земной коры, находя щийся до техногенного воздействия в предельно напряженном состоя нии, в результате многократного техногенного воздействия в отдельных его частях может оказаться составленным из многих участков с пре дельно напряженным состоянием, размеры и формы которых зависят от величины и степени техногенных воздействий. 4. На участках земной коры, в своем естественном состоянии свободных от зоны предельно напряженного состояния, при достаточ но сильном техногенном воздейстнии, массив горных пород также мо жет прейти в предельно напряженное состояние, сопровождаясь прояв лением rеодинамических явлений и сейсмичности. 5. Предельно напряженное состояние - нид, форма, условие сущес твования rеомеханической, а вернее, rеодинамической системы «мас сив горных пород». Более того, предельно напряженное состояние участка массива горных пород или земной коры в целом, понимаемое как предельное насыщение потенциальной энергией, является глав ным условием, стимулом постоянного изменения состояния массива, его нестабильности. 6. Раскрытие природы образования зон предельно напряженного состояния в земной коре и на ее отдельных участках, взаимодействия этих зон, их развития позволяет уже 56 в и видоизменения настоящее время в пространстве ставить нопрос о и времени возможности ессе безопасного у правления поведением и земной поверхности. и эколоrичноrо освоения недр нап яженного состояния при буре- р 7 · Образование зон предельно eynpyгoro н ни и скважины как результат . ивы объема пород вокруг скваж V де формирования некоторого но со значительным изменен исопряже по од пересекаемых скважинои, и v ем физико-механических своис::е б;ль~е глубина скважины и мень тем большим, чем в общем слу ш е прочность пород, окружающих е м етоды оценки своиств v • е Поэтому все применяющиеся ·ших воздействие ' пород испытав зования зоны предельно ' напряжен ног , процесса о брать о состояния должны учитыва ' ется и кернов, извлекаемых в процесс е каса тодов применяемых для оценэто и корректироваться. Это физических ме , бурения скважины, и reo ки свойств массива пород с использованием скважин. liтава4. ПРИРОДА И ВЕЛИЧИНА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СИЛ В ЛИТОСФЕРЕ О ГЕОДИНАМИКЕ ЗЕМНОЙ НОРЫ И ЛИТОСФЕРЫ Наиболее сложный и нерешенный вопрос - величина активных 4.1. горизонтальных сил, ответственных в конечном счете за напряженное состояние земной коры и литосферы в целом, перемещение лито сферных плит и силовое взаимодействие блоков разного иерархи Величины перемещения литосферных плит привлекают внимание многих исследователей. Эти величины [35] находятся в пределах 3040 мм/год. В 1983 r. были получены результаты измерений со спут ников о перемещении Австралии и ложа Тихого океана относительно Северной Америки в том же направлении, которое следует из теории <с ческого ранга. ~ ½ в .:,,. тектоники плит, но со скоростью в 1,5-2 раза большей, чем вытекает из осреднения за первые миллионы лет (Прим. ред. [35]). С 1979 r. ведутся наблюдения за взаимным перемещением лито сферных плит с помощью метода радиоинтерферометрии со сверх длинной базой, точность которого достигает сантиметров и даже ;:s ~ • .... ~ <Ot: 3- :z: • ~ ~ Рис. 4.1 . Карта движения главных литосферных плит Земли и их границы по отношению островодужных микроплит запада Тихого океана за последниек системе 10 млн лет: 1 - система островных дуг запада Тихого океана; 2 - положение контуров ~ континентов и других границ 10 млн лет назад; 3 - направление движения литосферных плит; 4 - направление движения Евразийской плиты; 5 полюса вращения литосферных плит по отношению к островодужным микроплитам запада Тихого океана (ТО - Тихоокеанской, ЕА - Евразийской, ~ rt:, 0 N ш - 6] ~ СА - Северо-Американской, ЮА - Южно-Американской, АФ - Африкан ской, ИА - Индо-Австралийской, АН - Антарктической, Г - Гавайской го рячей точки); 6 - области, сравнительно неподвижные относительно остро водужных мнкроплит запада Тихого океана ~ ~ ~ 59 миллиметров [35]. Из 22 существующих наблюдаемых пунктов 15 находятся на территории Северо-Американской плиты (США), 6 пун ктов - на территории Евразийской плиты (Западная Европа) и J пункт на территории Африканской плиты. Этими наблюдениями уста новлено «разбегание» Северо-Американского континента и Западной Европы со скоростью 4,5 см/год. Центральная часть Тихоокеанской плиты движется в западно-северо-западном направлении со скоростью 7,5 см/год. Калифорнийская часть Тихоокеанской плиты движется в западно-северо-западном направлении со скоростью 5 см/год. Ев разийская плита перемещается навстречу Тихоокеанской плите со скоростью 3 см/год. Приведенные результаты наблюдений являются доказательством правомерности теории литосферных плит. Полученные в результате инструментальных наблюдений направления движения литосферных плит практически согласуются со схемой, приведенной на рис. 4.1 [35]. Вопрос о движущих силах в тектонике литосферных плит является Наиболее достоверной большинство ученых считает гипотезу, чрезвычайно важным, однако не нашел пока однозначного решения. согласно которой движение литосферных плит осуществляется за счет конвективных течений, имеющих место в астеносфере. На рис. 4.2 [35] приведены результаты моделирования этих представлений. Однако приведенная на рис. 4.2 схема конвективных движений яв ляется гипотетической и, по мнению авторов, не имеет достаточного обоснования. Дрейф континентов, изображенный на рис. 4.1 и под тверждаемый инструментальными наблюдениями, может быть объяс нен и из соображений, изложенных в работе [40]. Известно, что в земной коре посто;;тнно, хотя и неравномерно, идут процессы, связанные с наращиванием ее в районах развития океанских и континентальных рифтовых зон и поглощением в зонах поддвигания (субдукции) океанских плит под континентальные плиты. Если дvС.: вить к этому синороrенньrй рифтоrенез, происходящий в областях кол лизии литосферных плит. то оказывается [12], что около 80% поверх ности Земли созданы р11фтоrенньrм режимом. Попытаемся дать крат кую характеристику этих процессов, воспользовавшись достаточно обширными результатами исследонаний и наблюдений, имеющимися в науках о Земле. А.Ф.Грачева [12] . Дальнейшее изложения этого вопроса - по книге Учение о рифтоrенезе согласуется с научными положениями, раз виваемыми R науке о тектонике плит. Предполагается, что океанские и континентальные рифтовые зоны появляются в местах утонения тек тонических плит при наличии проплавляющего действия горячей ано мальной мантии, механически замещающей более холодную верхнюю 60 течений в астеносфере и их Рис. 4.2. Карта моделированных линий ых плит на поверхности Земли соотношения с движением ли~о~фiу:ковым по модели А.В.Каракина(составлена Л.А.Савостиным, . . и Л.И .Лбоковскоrо): а ащивания и скольжения литосфер те чений· 2 - границы н Рсферных плит,. 4- направление дви1 линия , ь 3 - границы поглощения лито к системе островных дуг запада н ,х плит' (а _ по отношению жения литосферных плит системе горячих точек),. 5 - пр едполаб Тихого океана; - по отношению кконвективных течении, 6 - предполагаеv. v гаемые центры восх одящихветвеи v мые области нисходящих течении горячие точки. ма , . ( по ·•)·' 7-главные о Г Сорохтину, .. 1974 1 щностью и вязкостью нтию При этом ход процесса 6 Срединно-о кеанические хребты имеют оди определяется мо линзы аномальнои мантии. • v занимая около трети плаща щую протяженность свыше 80 ;ы~й кп:•ощади материков. Высота сре М ирового океана, что равно об щчно не превышает 1 км. В результат~ дин но-океанических хребтов о ы уктура в районе срединно-оке деформации земной коры блоковая ст~стояние до 500-700 км по обе анских хребтов прослеживается н~J:ой долины , залегающей между стороны. Ширина и глубина риф океане равны соответственно хребтами, например, в Атлант~ческом аспол;rается внутреннее дно 1500 м . В централь~~~О~~~~\; рюделяющееся на две впади 1,5- 3 км и глубинои ,й хребет состоит из отдельных • ужена ны ширинои от 800 до 1300 м . Медианны длиной до 3 км. Об нар 30 км и шириной v V сегментов, разделенных пониж~:::::~; оси внутреннего дна~ ширин~и система открытых трещин , парал метров с тенденциеи возраста от нескольких сантиметров до десятко~си ннут~еннеrо дна (суммарная ния ширины трещин с удалением от 61 ширина трещин составляет 6- 8 % ширины внутреннего д на). Рельеф внутреннего дна рифтовой долины обусловлен вулк.шической деятель ностью. Обычно нулканы относятся 1< центральному типу, но обнару жены и системы линейных вулканов длиной до 10 км . Важным эле ментом рельефа срединно-оке,шических хребтов является образование поперечных желобов (нпадин) и прилегающих к ним поднятий (попе речных хре;бтов), образование которых связано с трансформными раз ломами . Ширина зон поперечных разломов меняется от первых кило метров до 25-40 км. Склоны поперечных желобов обычно крутые. Глу бина желобов и высота поперечных хребтов, как nранило, больше соответственно глубины и высоты рифтовых впадин и гор. Нарастание земной коры в рифтовой зоне и, следовательно, рас хождение плит происходит со скоростью 1· 1-4 см в год. Процесс неста ционарный: скорость меняется во времени, нплоть до полной останов ки. Причина нестационарности процесса заключается в изменении ско рости субдукции и морфологии зоны Заварицкого- Беньефа. Скорость движения, размеры и вес плит, по-видимому, характеризуют силы воздействия магмы в зоне раздвига, что подлежит более углубленному сопостанлению и исследованию в будущем. Имеет место асимметрия раздвижения плит. Интересно отметить, что срединно-океанские хребты не имеют слепого окончания в океане: приближаясь к мате вых километров. При этом все сильные формного разлома не более ~eci лее 7 приурочены к зонам трансформ землетрясения с магнитудои о землетрясениями с магни- ных разломов. Осевая зона хара;;~и:~:т::трясений обычно равна 2- тудой 4-5,5. Глубина очагов в км о Наблюдаются рои землетрясениvй 5 км, вообще не превышает 8 Н~большой гипоцентр землетрясении, при отсутствии главног~ тол;:а.ебтов объясняется' по-видимому, тем' приуроченных к осевои зон р ' 500 0 С уже на глубине 1десь составляет до что температура пород з б лее 5- 8 км из-за повышения пластич2 км и потому уже на глубинах о шения их маловероятно [12]. ности пород толчкообразное разрусj в во многом имеет общие черты Сейсмичность материковых ри по бтов с тем отличием, что единно-океанских хре , с рифтовыми зонами с р v Эпицентры землетрясее землетрясении. она имеет большее рассеяни нах так и за их пределами, в рифтовых впади , м ний располагаются как развивающихся зонах . агбтов особенно в еще 4 5 54 часто в пределах хре ' фтов авны в среднем , - ' . нитуды землетрясений материковых ририри:Товых толчков. С магни- Такие магнитуды характерны для внJ:ее редки и происходят во внут тудой, большей 6,5, землетрясени~л~мывания хребтов. Подавляющее ривладинных перемь~чках и зонах на глубинах менее 30 км. число землетрясении происходит рику, они продолжаются там в виде зон высокой сейсмической, текто нической и вулканической активности [12]. Континентальные рифтовые зоны имеют общие особенности рельефа: абсолютные высоты не превышают 3500 м; асимметричный поперечный профиль с равной высотой хребтов по обе стороны риф товой впадины; исключительная линейность, прослеживающаяся на расстоянии первых тысяч километров при ширине зон до 50 км. Эти особенности присущи материковым рифтам: Африкана-Аравийскому рифтовому поясу. Байкальской рис!повой зоне, Момскому рифту, Рейнскому грабену. Особое место занимают рифтовая зона Запада США, имеющая ширину около 1000 км при общей протяженности 3500 км. Зона представлена параллельными впадинами и поднятиями , образующими клавишную систему. Нечто подобное представляет со бой рифтовая зона Западно -Сибирской плиты в части сочетания боль шого числа элементарных рифтов. Магмопродуктивность юттинен тальных рифтов на порядок ниже океанических, однако все они имеют проявления вулканизма . С мировой рифтовой системой связано около 3 % всех землетря сений и 6% сейсмической э нергии Земли . Эпицентры землетрясений приурочены к осевой зоне срединно-океанических хребтов и к систе мам поперечных ра зломов с отклонениями от оси хребта или от транс- 62 4.2. ПРИРОДА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СИЛ В ЛИТОСФЕРЕ 6 е n ИJнание в последние десятиле Как уже отмечалось, наибольше ако до сих пор не предложен тия получила теория тектоники плит. ~ндвижение плит f49]. Автор " анизм вызывающии приемлемыи мех ' оанализировав существующие работы [49] пришел к этому выводу, пр гипотезы: литосферные плиты пассивно «~ v в мантии , появления жении верхности з емли в мантииных стр . виде « горячих точек », саморегулирующие . олокутся » из-за конвективных дви- механизмы тектони уй проявляющихся на по- , ки плит- плита двигается за · ая в зонах субдукции, потока ве- . . (воз можная сила отталкива)· щес,,ва в пределах этих моделях чрезвычайно мала и др . , ния возникаюuюя в хребтах, в З к преобладающим динами' пособление коры емли h пассивное прис шического цикла - рис1,тинг, счет силы тяжести . оддвигающегося кр· n спредингового « клина » ческим условиям действующего плитотектс дрейф и субдукция; . . многие механизмы орогенеза осно ваны на гипотезах , отличных от теории литосферных плит. 63 [491 отмечает, чт о самым " ляется самовозбуждающ ., , реальным представВ заключение автор плиты в зонах субдукuиииися проuесс, вызываемый погружением , однако и здесь • Альтерн.:пивным вариантом явля , нстречаются трудности. течений; механическая ве оятно ен:я_ наличие тепловых конвективных прежнему, остается неrарJнтиро~;:~~~~ествования таких потоков, по- Отдают предпочтение тому движение литосферные плиты' риала 13 чт о механизмом, который приводит 13 мантии (12 14 32 49], Эявляется конвективное течение мате- , , , • тельств своей достоверности Б та гипотеза не имеет прямых доказа- о движущих силах необхо~и~~ееп;авдоподобный взгляд на вопрос рифтогенезом (40]. 1· пассивный характер те [12] Трудно согласиться мнению авторов, связывать с ' с тем , что рифтоrенез в океане носит странство между ни~и .за·п~~ мере расхождения плит литосферы про виде даек, силлов и лавовь~:ется вновь поступающим материалом в стройки, которые вместе и ф потоков, включая вулканические по мнению авторов во всем это армируют новообразованную кору. По активно, обеспе~ивая появл м процессе как раз рифтогенез участвует рые оказываются достаточн:~:ие активных горизонтальных сил, кото раздвиrу литосферных плит [4;)~ля того, чтобы выполнять работу по Как это можно было бы представит ре~ных выше результатов и данных re ь при использовании рассмотраионирования недр разрыв в земной к~механики и геодинамическоrо его бортов может быть объясне ре и последующее раздвижение И но двояко (рис 4 3) дет поднятие одного или неск . . . участке земной коры , например , в раионе __ольких блоков в наиболее тонком океанического дна (рис .. 4 3, а. ) а Образуется область В , где появляются горизонтальные активные силы , способствующие ослаблению зажима блока и, следовательно, его дальнейшему выталкиванию вверх . По мере выталкивания блока растет нысота области В и растут раздвигающие борта силы. Наконеu, раздвигающие силы становятся настолько большими, что борта начи нают расходиться, и магма вырывается на земную поверхность по границам воздымающегося блока. Последующее воздымание соседних блоков значительно облегчается раздвигающим действием магмы. Поэтому процесс по формированию зоны раздвига закономерно про должается. Создавшийся механизм раздвига на достаточно большом протяжении обеспечивает горизонтальное движение литосферных плит в стороны от раздвига. Раздвиr далее сопровождается наращиванием земной коры за счет изливающейся магмы. Возможно также появление «клинового» эффекта (рис. 4.3, 6). Чем вы ше проникает магма, тем сильнее действие клина. Наконец, магма проникает до земной поверхности и создаются условия для раздвиrа . При этом надо иметь в виду, что на всем протяжении зоны раздвига (спрединrа плит) имеет место неравномерное распределение величины горизонтальных сил, импульсивное их воздействие, в том числе и по толщине земной корь1. Однако на некотором удалении от зоны спре дИiна происходит выравнивание величин этих сил и устанавливается постоянство их воздействия, т. е. образуются горизонтальные силы, вызынающие общее перемещение прилегающих плит. Степень дейст вия горизонтальных сил на отдельные участки земной коры будет, по видимому, определяться формой и размерами блоков, на которые разбиты прилегающие литосферные плиты , прочностью и деформи руемостью каждого блока и группы блоков как взаимодействующей системы, неодинаковой толщиной земной коры и др. На рис. 4.4 представлена возможная схема развития среднеокеанскоrо рифта в направлении, например, с юга на север - по границам блоков, имею 5 щихся или образующихся вновь в земной коре. При этом эффект достигается в результате последовательного разворота каждого блока. J Представим, что аналогичная картина проникновения магмы может происходить и по другим контактам блоков, в том числе расположен ным горизонтально. Предложенная схема разрыва зем ной коры не противоречит и не опровергает схемы, предусматривающей плавление нижней части земной коры под воздействием воздымающейся линзы аномальной f Рис. 4.3. Позможные варианты появления . "'шючнои., струк прорыва "' а - при «клавишной р·а 601е» . 6 магмы: о11разовавшейся области·• аи,,.. - о бJ ~а<.:ть . образующег туры, .- при раз11виrю1ии проникновения магмы·, 2 _ вмещающ11е . · ося разлом.~; 1 - область пород ы ; 3 - обл.~сть растяжения 64 мантии, как это описывается в работе [12) , а может ее лишь дополнять. Необходимо остановится далее на весьма принципиальном вопро се, касающемся зоны растяжения , возникающей в земной коре в районе срединно-океанического хребта. Субдукционные граниuы плит 65 а 1 1 с --- '-----t---1 1 1 1 1 1 1 -4~~~~:zzz---J-/ 1 2 I 1 1 1 1 1 Рис . 1 -,.,-/~~--~1 2 В работе 1 1 ___ .J1 1 I ·r--,==~tt-=== - i- JIO \ Ро.кm поставлен еще один чрезвычайно важный и инте срединно-океанских хребтов. Поскольку срединно-океанские хребты Рис. 4.4. Схема развития paздвига 1 и трансформных разлоМОВ 2 как правило, приурочены нап яжения' а к рифтовым границам плит, обычно находятся в состоя н ии сжатия зательства этого приводится р~с. 4.5 [/gfстяжения . В vкач:,стве дока ническое поле напряжений Земли · к зоны растяжения . (12) - - ресный вопрос, касающийся зоны растяжения земной коры в области 1 1 ры в зоне раздвига 1 L.---1 Схема, иллюстри рующая поведение земной ко 1 1 1 4.6. . , отражающии сеисмотекто рифтовым зонам приурочены являются областью растяжения земной коры (что следует, например, из механизмов в очагах землетрясений), то необходимо выяснить, на каком расстоянии от осевой зоны хребтов происходит смена знака Ответ на этот вопрос попытались дать в 1973 r. Л.Сайкс и М.Сбар, полей напряжений? изучившие напряжения в очагах 75 сильных землетрясений, которые произошли внутри литосферных плит. По их мнению, в океанских бассейнах движения типа взбросов начинают развиваться за пределами изохроны 20 млн. лет; изохрона 10 млн . лет ограничивает область, где господствуют нормальные сбросы. Таким образом, переходная ~она, в которой происходит смена полей нащtяжений, заключена между изохронами 10 и 20 млн. лет. В работе (121 утверждается, что зона с напряжениями растяжения в районе срединно-океанического хребта имеет ширину не менее 300400 км и является областью высокой тектонической активности. Рассмотрим это, пользуясь схемой, приведенной на рис. 4.6 (42). Допустим, что на участках J, а затем и 2 магма проникала под давлением, существующим на границе между земной корой и верхней l\1антией. Выше магма тоже проникла, но не сплошным массивом, а по образовавшимся пустотам. На уровне рифтовой долины магма изливается спокойно под давлением, близким к весу столба воды над долиной (например, около 4 км). Поскольку под действием сил Р••,. в Рис. 4.5. Сейсмотектоническое Балакиной и др. ): z - 66 растяжение; пол е напряжении" (по Шейдегерру, 2 _ сжатие момент проникновения магмы на достаточно большую высоту (до точ ки Ь) начнется раздвиr плит, то на участке аЬ (см. рис. 4.6) возникнут напряжения растяжения . По мере роста раздвига плит и соответ ствующего наращивания земной коры по обе стороны участка аЬ возни- 67 кает з она растяжения 3, разме ы кот лы равнобедренного треуrольнр " орои не могут выходить за преде- ика высотой аЬ rающемся по дну рифтовой долины 2аЬ tg (45 °- р/2) г ' и основанием, распола- В указанной зон; ра:я:;:::л внутреннего трения пород. вой долины: появляются от формируется внутреннее дно рифтокрытые трещины б характерные для внутреннего дна/ 12] В , о рушения пород, вия растягивающих напряжен ., . процессе появления и дейстии в зоне 3 и особ " границе проявляются многочислен енно на нижнеи ее которых, как отмечалось выше ные землетрясения, гипоцентры щих 5- 8 км. Механизм в оча ' находятся на глубинах, не превышаю., rax землетрясен ., это деиствительно зона растяже Б ии свидетельствует, что ния. олее того, можно предположить ч " ' то и в указаннои локальной кам застывших участков маг;риурочены главным образом к перемыч маrмы действуют напряжен ы, а на участках проникновения жидкой ия сжатия способ пряжений растяжения на уч ' ствующие появлению на- зоне напряжения растяжения астках застывшей проявлению сейсмичности в е Р зультате дефо магмы, следовательно ., ' возвращаясь к рис 4 5 м рмации отрыва. Поэтому · · , ожно согласиться ' отражено проявление землет ясени., ' что на нем правильно ва горных пород как в преде~ах А и, связанных с растяжением масси рифтовоrо пояса, так и в предела/;;,т;;еского сре~инно-океанского Допустим, что прорыв магмы в центральной рифтовой зо не пред полагает ее проникновение по разломам соседних блоков, что приводит к оживлению клавишного движения блоков, проникновению магмы и ее раздвигающего действия по границам многих блоков, в том числе до поверхности дна океана . Следовательно , эффект образования зон растяжения, как это показано на рис . Таким образом зона растяж ои коры, является ошибочным. ' ения массива по б род н о ласти срединтовой долины и потому иrv1 ыходит за пределы внутреннего дна рифеет незначительные глубине расположения. Связанные с зоной , размеры по ширине и имеют гипоцентры, обычно 2- 5 км и растяжения землетрясения зона растяжения, являясь локальн;й ~е превышают 8 км . Более того, ния на раздвиг ЛИТ<)ссhерн ' рактически не оказывает влия,, ых плиг в конеч являются результатом разд13иrа п . ном счете землетрясения но-океанического хребта не в о стальная лит. толща земной ко срединно-океанского хребта ры и литосферы 13 целом в области находится под воз ,., напряжений сжатия об . деиствием высоких , условленных прони раздвига. Высокая тектониt1'"'ск " кновением магмы в зону 13 области, прилегающей к срединно-океанскому хребту блоков и проявлении землет ~;ыра~ающаяся в клавишном движении зонтальных сил вблизи l'v р ении, обусловлена воздействием rори 1еста их прилож · ( ая активность участку земной коры име ения переходная область) к 68 , ющему в данном месте меньшую толщину. во многих может быть даже серии таких зон на больших расстояниях, в том числе и до 300-400 км, как об этом говорится в работе l 12 J. Сложная система рифтовых и трансформных разломов имеет зоны растяжения до глубины 2-5 км от поверхности дна океанов, где и проявляются рои землетрясений с фокальным механизмом растяжения. Можно дополнительно сообщить, что в 1996-1997 rr. сотрудниками кафедры теории упругости Санкт-Петербургского университета и ВНИМИ было выполнено математическое моделирование, подтвер дившее гипотезу возникновения горизонтальных сил в литосфере за счет раздвигающего действия магмы, поднимающейся в рифтовых зонах*. пояса. Зона растяжения в э р ано-Аравииского рифтового части земной коры на то том случае приурочена лишь к верхней работы (12] о том, что в л~ину не более 5-8 км. Поэтому вывод из находится зона растяжени~ :е:Н: ~ифтовых поясов (по всей глубине) 4.5, может повториться местах и вдали от основной осевой зоны срединно-океанского хребта. Более того, вероятно существование не одной осевой зоны хребта, а 4.3. ВЕЛИЧИНА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СИЛ Пользуясь приведенной на рис. 4.7 схемой, можно ориентировочно установить величину активной силы Р"т' действующей перпендику лярно к поверхности раздвиrа. Прежде всего, чем больше высота подъема магмы в зоне раздвига, тем значительнее активные силы превышают силы, определяющие переход земной коры в предельно напряженное состояние по всей ее толщине [40]. Если принять толщину литосферы Нг глубину залегания рифтовых зон h = = 30 км, 13 высоту Н"" = 10 км, км , а нарастание горизон тальных сил по глубине по прямолинейному закону, то из несложных расчетов следует, что на полоске литосферы шириной в 1 м может возникнуть сила Р.кт = 1,6 ·10 10 кН. Однако литосфера может воспринять лишь силу, не превышающую Р , т. е . соответствующую ее предельно напряженному состоянию . r1pc/\ При принятых допущениях и согласно рис . 4.7 величина Р11pt:/ t на * Горбатых Л.Г., Семенов Б.Н., Петухов И.М. , Сидоров В.С. Раскли нивание трещин в земной коре вязкой несжимаемой жидкостью.// Пробле мы rеодинамической безопасности. Международное рабочее совещание, ВНИМИ . - Спб., 1997 .j. 69 8 земна11 по6~рхность м возникающих в зоне раздвига полос1<е шириной в 1 м будет около 1 3· 1010 i·o , к . Таким образом, Н 1 точно для перехода литосферы п:изонтальных сил более чем доста тояние по всей ее толщине. 1 1 и этих параметрах в предельное сос- Если считать, что на близком к аз . решла в предельное состояние на р д~игу участке литосфера пе- HnJ\ _ _ _ толщина литосферы больше ее толщины всю глу ину Н,, то на участках, где в районе дельное состояние литосфера переидет v лишь на некотор раздвига, в пре-" толщины, начиная с земной поверхности и тем мень ую частьб своеи толщина литосферы · Отсюда , с ' шую, чем ольше величины средних по глуби , заключить, что обратно пропорциональны т:ле:;~;зонтальных напряжений будут дает возможность по изолиниям тол литосферы, vчто, по-видимому, мере судить о степени ее напряженно щины земнои коры в известной ных плит глубина перехода массива ~;\ Итак, по площади литосфер ледовательно женное состояние по отноше нию можно р ых пород в предельно напряб к толщине земн зависит: от толщины з личаться в широких пределах и ои коры удет v разразмеров и формы блоков степе емнои коры, литологической неоднородн~сти ма:;и~;~уктурной нарушен~ости и V ния и истории формирован и я каждого участка других особенностеи строелитосф горизонтальных 3 ная величину га, можно, в известной степени о сил , в озникающих еры. в зонах раздвиими совершается. Так, восполь;о~евн~:ь и количество работы, которая что перемещение литосферных сь известными данными о том получить, что в рассмотренном ::,::~стиrает 0,03 м в год, можн~ 1 м ежегодно совершается работа, aвнa/:7ifie на ~олоске шириной такая работа производится на дли~е 80 Дж. Если принять, что - -+- - Ро.кm Рис. 4.8. Схема разру шения плиты при земле- 1 \ \ L 1 1 1 1 --\- {Х.='150 \ 1 1 трясении представлять, что эти процессы идут толчкообразно, динамичность им придает пульсирующий приток энергии из прилегающих массивов пород. Отсюда, чем интенсивнее сейсмичность соответствующего района земной коры, тем, следовательно, больше возможный гипо центр сейсмических явлений, в том числе и крупных землетрясений. При континентальном рифтоrенезе схема появления активных гори зонтальных сил, действующих поперек рифта, аналогична как и для океанских срединных хребтов, с тем отличием, что их действие локализовано и, следовательно, создает предпосылки для образования тектонически напряженных зон в земной коре по обе стороны от рифтовой зоны. Вместе с тем, в таких регионах, как, например, запад США, где длина многочисленных рифтовых зон достигает 3500 км, их действие приближается к действию океанских рифтовых зон, так как создаваемая ими тектонически напряженная зона распространяется фактически на всю Северную Америи;', скихКхребтов, то суммарная ее ве личинатыс. км всех срединно-океансоставит 3 2-1019 д Далее уместно уточнить представления о природе горизонтальных сил: действительно ли они являются тектоническими. Если принять, ------,1'771'--..,.(~о:__ _ ны своим появлением силам гравитации. В самом деле, расплав ленные породы верхней мантии имеют гидростатическое напряженное видно, сами горизонтальные силы и совершаемая , ж. работа весьмааквнушительны ими · Следует также отметить что ф вания и воздействия горизонтальных си л б1 удет , неполнои, картинаv ормироА cs если не Рис. !lcJ106ue куло11а-/'fоро 4. 7. Схема, иллюс трирующая ние возникнове активных горизон тальных сил: ние(l/1ь11а11 hnJ1acmuчнocmь -;~;.u:iJ,:;:~:v:--e&~o:-:r:-m_a_J1_н_цШeL--..l====i..c_Hr 70 1h - зона раздвига· уровень маг~1 ы в зоне раздвига; . ➔- р uperJ ' - - ➔ - рahm что горизонтальные силы в районе раздвиrа литосферных плит обра зовались в результате поступления магмы под высоким давлением, то в этом случае силы не имеют тектонического происхождения, а обяза состояние, когда все три составляющие напряжений равны у Н,. (где Н,. - толщина литосферы). Таким образом, горизонтальные силы, дейст вующие в литосфере и участвующие в перемещении и взаимодействии литосферных плит, образуются в результате действия гравитации. Вследствие этого принятое определение горизонтальных сил в земной коре как сил тектонических нуждается в уточнении. Может быть целесообразно горизонтальные силы, обязанные своим появлением гравитации, считать тектоническими по отношению к взаимодействию 71 блоковых структур земной коры го ооб разованию. и другим проявлениям геодинамики Этот вопрос я' р . вляется принци ся в специальном рассмо1·рен ии в будущем пиальным и нуждаетЦелесообразно попытаться рассм . ствия горизонтальных сил в литосфе о:р:т: отдел~ные случаи воздейБольшой интерес предспшляет пр земнои коре, 1:\ частности . зон субдукции, в пределах кота ыJоцесс формирования и развития плиты за счет ее поддвигания р идет п оглощение литосфер ной под соседнюю плиту О б " этого явления \:\Иден из рис 4 8 П · щии механизм линии MNK по всей тол шин· е з.е. л~та А в результате разрушения по мнои коры подд\:\И . р азрушение земной корьr п роисходит от сжати гается под плиту В. тальными силами р Воз ,.-,· р - нерт - р акт я активными rоризон- никает удельная подъемная сила tg а эти разрушения могут сформировать генерал ьное разруше ние, которое, в конечном счете, приводит к явлению субдукции. Многочисл е нные подвижки по обрюова13шейся поверхности разрушения в зо н е субдукции приводят к набл юдаем ым явлениям, включая зе млетрясения и извержения вулканов вбли з и эт их зо н. Здесь не последнее место занимает толчкообразное поршневое действие поддв игающейся плиты. Возникающая подъемная сила обеспечивает разгрузку массива горных пород с соответствующим углублением начала зоны пород с гидростатическим распределением напряжений . Здесь кроется также разгадка того положения, что в зонах субдукции толщина земной коры значительно возрастает. Подъемная сила на участке земной коры, где она превышает вес пород, участвует в горообразовании. По высоте горы (ее весу) можно . Угол а, по-видимому, изменяется в п е о земной поверхности с учетом пост е пенноргоделах от (45 - р/2) вблизи обраще о ния в 0 угла внут реннего трения р на глубине Н равным 450; на глубине Н нл' где угол а, следовательно, становится ., "" угол а рав е н также 45 ° Об деиствия р""Р' сказывается на участке ML от . ласть воз сированной на земной поверхнос Н линии разрушения , зафик- ОК эта сила будет превышать вест~~ оа ~афике (рис . 4.9) левее точки в деформирова нии массива пора р д , как следствие, участвовать д, включая rорооб того, возникает возможность изл ома. земнои., коры п разование. " Кроме ности, в результате чего могут появиться трещ печивающие прорывы магмы в сто проявление вулканическои" де о некоторои поверх- ~ны, каналы, обес- рану земно и поверхности, т. е . ятельности котор· . сопутствует зонам субдукции (нап име т , ая' как известно, ское огненное кольцо»). р р, ак называемое «ТихоокеанРа зрушения земной коры описан постепенно (во времени) как по r б лу н ога вида могут развиваться ине, так и по площади. Сливаясь p6epm ' состав ить некоторое представление о величине подъемных сил, а отсюда, вообще, о вели чин е горизонтальных сил, действующих в зем ной коре в данном месте . Толчкообразные подвижки , заложенные в природе явления, способствуют разрушению и воздыманию массива пород , образованию разрывов в массиве. Толчкообразность во всех зонах движения и разрушения массива горных пород - основной зако н изменений , совершающихся в зем ной коре. Таким образом, можно констатировать, что литосфера и часть верх ней мантии, прилегающая к ней , представляют собой систему, находящуюся в предельно напряже нном состоянии, обладающую запасом э нергии за счет гравитации, достаточным для постоянного силового взаимодействия и обновления ~атериала литосферных плит. Толчкообразность процессу при дает, прежде всего, взаимодействие плит в зонах субдук ции , где имеет место эффект преодоления сил т рения . Целесообразно рассматривать литосферу, как оболочку Земли , как самостоятельную систему, замкнутую в себе . Эту систему характеризуют следующие положения: '(Н литосфера нагружена собственным весом с добавкой веса толщи воды на тt:рриториях, занятых океаном и другими водными объектами ; 3 литосфера представлена литосферными плитами, находящимися в постоянном неравномерном движении и взаимодействии друг с другом; активные горизонтальные силы, действующие в литосфере, задаются 13 океанских рифтовых зонах за счет распортноrо действия Рис. 4.9. Зависимость подъемной силы 72 P.,,,,,,,l(yH) от глуб ины Н расплавленных пород (магмы) и имеют, следовательно, гравитационную природу; 73 наращивание литосферных плит при рифтоrенезе компенсируется их погружением в зонах субдукции, абдукции, эдукции, коллизии, выжимания масс пород и др.; природная система наращивания плит и их поглощения находится определенном компенсационном равновесии, что и характеризует ее как находящуюся в своеобразном предельно напряженном состоянии; вдали от рифтовых зон, по мере роста толщины литосферы, в предельно напряженном состоянии, имеет место крайне дискретное распределение свойств и напряжений, нагруженных и разгруженных зон, многочисленных предельно напряженных зон и других элементов дискретности, присущих как мы видели выше, состоянию любого массива, находящегося в предельно напряженном состоянии (глава 3); 1:1 «клавишное» образование и перемещение элементов блочной структуры земной коры обеспечивается в значительной степени пере мещением жидких масс пород в астеносфере. Таким образом можно констатировать, что литосфера в целом или ее отдельные части находятся в условиях предельно напряженного состояния, они постоянно видоизменяются и деформируются, в них готовятся и происходят геодинамические явления разного рода интен сивности и опасности и происходят катастрофические землетрясения. Эти явления готовятся и происходят в силу действия законов сущест вования предельно напряженного состояния массива. " ы оказывают нлияние такие плана напряженное состояние земнеро1и'<)1~о~ращенис Земли, изменение солкак неравном , " нетарные силы, нечные приливы и др. н ечной актинности, лунно-сол ~ия перечисленных факторов. Рассмотрим характе р и степень влия1 4 1 1 Влияние вращения Земли . . . ения Земли вокруг своей оси непоси звестно что скорость нращ и) величина которых ' ия (флуктуаци , тоянна и испытывает изменен 10 ней По оценке А.Д.Сытин4 ИОД ОТ 2 ДО . достигает 0,000 с за пер . ейся дпо этой причине энергии 1:1 ского, количество высвобожд~;~~~о Дж что на три порядка выше течение одного года равн~ ! , и земле~рясениях за тот же период эн ергии высвобождающеися пр р (1948 r.) она составляет , 2, 16· l о'<> времени.' По оценке Гутен берrа и а ихтера ения Земли равна - д ж. 3 -1011 Дж. Кинетическая энергия вр щ Изменение скорости вращ ения "Земли Не вызывает сомнения тот факт, что напряженное состояние массива горных пород в любом районе нашей планеты обусловлено его местоположением в системе «Земля», т. е. напряженным состоя Так, по мнению Л.~.Леиб~l/100,радиуса Земли), вызываемая жений в тонкой зе_мнои ко~неия Земли (которое в нашу эпоху состав замедлением скорости вращ ляет 0,0024 с за 100 лет), u • зонтальноrо маятника и прил;я по формуле у- величина, оп~(еляе:l(~] r= здесь {J)o и {J) - ш l- cJ ' скорость вращения Земли следователями на первое место ставится тангенциальное сжатие в зем ная угловая и в рассматрив Г.П.Горшкова, напряжения в земной коре едины как для коры, так и разных широт·· ной коре, свойственное Земле как космическому телу. По мнению для мантии из-за влияния планетарных сил, тангенциальные напряже ния ведут к образованию разломов. Часть из них (надвиги, взбросы) располагается обычно согласно складчатости или перпендикулярно к сжатию, а часть (сдвиги, сколы) - ориентированы под углом 45° к на пrавлению давления или простиранию складчатых структур. При этом 74 ф еской широты места; ' ая от геогра ич ) где Л 1 - величина, зависящ О ,5 средней плотности Земли ; •• оры (принята р - плотность земнои к ) ичина , определяемая по з ли· D(a - вел а - среднии радиус ем . б ений над колебаниями горитеории упругих приливов Землив;::адл:о:ного периода (D/a - 2/3); нием Земли как планеты в данном районе. Этому вопросу посвящены работы А.В.Пейве, А.И.Суворова, В.Е.Хаина, В.В.Белоусова, Г.П.Горшкова и др. При этом многими ис времени может вызвать разрушающие напряжения в :ем:~~н:ор=~ибольшая разность напря- Л = Л р а1 D(a) у, 4.4. ВЛИЯНИЕ ПЛАНЕТАРНЫХ СИЛ НА СОСТОЯНИЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ во Ниже приведены значения наи 6 ~- ({), градус л, МПа * .. • .О .. ·· -74 , соответственно, аемый момент времени . 15 69 Батуги11 А.С., Батугuна оль шей разности напряжении для 30 45 55 37 И М . . 60 75 41,5 49 90 51,4 И ~менение напряженного состоя ни~ нетронутоiо массива горных ~ород в Напряженное состояние 1емнон коры. началь- :1~.остранстве : Наука, и воС.времени //Сб 1973. .. 148-157. 75 а u 90° ния Земли везде одинакова, линейная же о JJ·f0~к г/м 3 ~км 2 30 200 700 12, :, 1зJ ___ [5J Угловая скорость враще тся на экватор. В местах · ксимум ее приходи р азлична, причем ма ., (см рис 4 . 10) наблюдается · · .. 1 кривои плотности наибольшей кривизнь " шапки» относительно центральнои « располагается примерно у 35 -и" появление среза~щих сил верхнеи ивизны части. Указанныи максимум кр ют согласно исследованиям параллели. Этой широте соотве~~::\е 'егиба (рис. 4.11, а , б) и раз Г Н.Каттерфельда, М.В.Стоваса, т ., ( ре 4 17 в) [5J. К ней же при. оздушных течении ри · · , С ориентированности в ., . (Б Гутенберг К.Рихтер, М . В. тобольшая сеисмичность . , урочена наи вас) и удароопасност_ь (И.М. ....,.__ б.У7t Рис. 4.10. Модель внутреннего строения (а) и график изменения плотности Земли р с глубиной Н (6): 1 - верхняя «шапка» Земли; 2 - центральная часть; 3 - кривая плотности Земли; 4 - направление срезающих усилий; 5 - направление смещения земных масс Таким образом, поле напряжений в земной коре неоднородно. Вследствие этого наблюдаются неодинаковые по величине, знаку и ха утей плотности вращающихся масс в В результате неравномерное -----IН,5150 13,6 Бат rина) месторождений. ия которые могут фикси- земной коре возникают срезающ~~J~::,а ;онтинентах. Это должно Иде трансформных раз роваться вв женноrо состояния массива г орных учитываться при оценке напря r~~:~:· ha~ пород, находящегося в зоне Строгая ориентировка по отношению к оси вращения Во онова. Самые крупные складчатые Земли известна по работам . . н/ альных направления: два диаго пояса Земли имеют четыре re Б р нальн ы х и два ортогональных. ольш с ая часть их ориентирована под lf а рактеру новейшие и современные движения земной коры в различных частях земного шара. При этом наибольшая разность напряжения (18 МПа) наблюдается между 30 и 45 широтами, к которым и приуро чены наиболее активные проявления сейсмичности и удароопасности. С изменением скорости вращения Земли связано увеличение и уменьшение полярного сжатия. Так, в приложении к фигуре Земли М .В. Сто вас рассмотрел распределение напряжений в земной коре при изменении ее полярного сжатия на 10·1 для четырех моделей, приняв глубину сферического слоя 127 км. Им установлено, что с увеличением скорости вращения Земли полярное сжатие возрастает, с уменьшени ем - снижается, что вызывает «волновые» движения земной коры. В настоящее время наблюдается замедление вращения Земли, что обус ловливает перестройку деформаций. Уменьшение сжатия у полюсов и увеличение его у экватора способствует перестройке структурного плана внутренней оболочки Земли, в том числе и осадочного чехла . Она протекает последовательно от ядра Земли до ее поверхности. Свидетельством тому являются скрытые разломы, зафиксированные в фундаменте и пока только фрагментарно выраженные в рельефе. Исходя из модели внутреннего строения Земли (рис. 4.10), отдель ные ее слои от ядра до верхней мантии и коры имеют разную плотность 76 6 Рис. 4.11. Зональное распределение )· по земному шару: а - напряжений б - (110 Г.Н.Каперфельду , ., . (по Н В Сто тс1понических движе11ии. васу); в . . - воздушных течении 77 ,f а ,., ,., п 4• ::,.• п ~ ~ ½ 7 11/ .;, 50 11/ 7 о о 7 7 !'1 I Л 1/IIYYEГ'fl/YlllirIOD/ l'I 1'1f!СЯЦЬI Рис. 4. 12. Сезонная периодичность го ных Кизеловскоrо бассейна в 1947-1961 rr : ударов для месторождений ~ - sислu сора ых удароs; - углом ·( ) и Индии ' 1956-1961 се. (6); изменение продолжительности суток, с . 45 о к оси вращения Земли или cor перпендикулярно к ней . Сред нии угол между ласно оси вращения, или ними 450 нальная система создана скал ывающими усилиям равен . Диагомеридиональными и широт ными сжимающимии,( а ортогональная _ V усилиями, возникающими в литосфе растягивающими) полярной деформации . Кроме ТОГО, бре Земли при ее планетарной ЛИЗКИЙ К 450 между разломами на платформе угол сохраняется чатые сооружения Этот ж и разломами, обрамляющими склад- о б разuов, подвергшихся испытан внутреннего трения). · е угол наблюдается ию на сжатие (45° при /2 раскалывании - Р , где р - угол В работе И.М.Батуrиной * пре ста причин сезонной периодичноети дгорных влены исследования некоторых ударов на ме мира. с обранные фактические данные ударов в течение года по сторождениях 12 об изменении числа горных лением их по месяцам Для бместорождениям приводятся с распреде. а к:олютноrо больш максимум ,· орных ударов падает на ф ноябрь - декабрь . Весен нии" инства месторождений евраль - март, июнь - август и и летнии максимумы н· V месторождениях в разные месяцы аступают на разных наступает одновременно на , в то время как осенний максимум В целом ряде месторождений качестве примера на рис . горных ударов по месяцам . 4 . 12 приведено распределение числа бассейн рис 4 12 а) и И для( месторождений Урала (Кизеловский ' · · , НДИИ рис 4 12 б) А получены Б . Г.Тарасовым (рис. 4.13.).. , . налоrичные результаты Представляет несомненный интерес тот факт, что в распределении числа горных ударов по месяцам наблюдается некоторая аналогия с распределением по месяцам и числу землетрясений. К . Н.Хефер от мечает максимум землетрясений в первом и четвертом кварталах года . С .Ф.Филипас, исследуя закономерности сейсмической активности северо-западной части Тихого океана, приходит к выводу, что боль шинство землетрясений приурочено к осенне-зимнему периоду. По видимому, в причинах, вызывающих изменения числа землетрясений и горных ударов по месяцам, есть общее, связанное с планетарными сезонными изменениями. Наиболее вероятно, что это связано с из менениями скорости вращения Земли. Сопоставление сезонной перио дичности горных ударов с неравномерной скоростью вращения Земли показало, что максимумы (минимумы) числа горных. ударов приуро чены к месяцам с минимальной (февраль - март, декабрь) и макси мальной (июль - сентябрь) скоростью вращения Земли или к месяцам наибольшей скорости ее изменения (июнь, октябрь - ноябрь). Изменение скорости вращения Земли приводит к изменению полярного сжатия и, следовательно, напряжений в земной коре. Достаточно большой разброс макси мумов горных ударов на месторождениях мира относительно скорости вращения Земли может быть связан с различным их расположением в географической системе координат (<Р, л,). А это, в свою очередь, связано с разными rеомеханическими и тектонофизическими условиями и напря женным состоянием земной коры. Дан ный вопрос подлежит дальнейшему исследованию . По расчетам Л.С.Лейбензона, для по- явления в земной коре разрушающих на пряжений, необходимо замедление враще ния Земли на 11 мин . Поэтому изменение продолжительности суток в течение года, равное 0,0025 с, не может, согласно этим расчетам, привести к разрушениям, но вызовет незначительные изменения напря женного состояния массива горных пород. Таким образом, влияние сил, вызван ных изменением скорости вращения Зем * Батугина И.М. периодичное маркшейдерского дела ·Сезонная Кем ерово ть горных ударов. //Вопросы , J970. 78 ли в течение года, вызывает повышенные О 12 31155 789101112 l'fеслць1 Рис. 4. I 3. Сезонные ва риации удароопасности на угольных шахтах за пе риод 1947-1989 r~ (по Б.Г.Тарасову) . 79 напряжения в земной коре в местах наибольшей кривизны плотности вещества земного шара (35-я параллель) и различные величины напряжений у полюсов и экватора. Существенная неравномерность проявления динамических явле ний и землетрясений по месяцам года свидетельствует о том, что изменение скорости вращения Земли создает условия нестабuлыюстu V Правда. в этои зоне, как и в дру что в океанских зонах деиствуют н из количественных показателей которой является число пятен на Солнце. Солнечная активность оказывает свое воздействие на напря женное состояние земной коры через изменение магнитного поля Земли и благодаря ему через изменение прочностных свойств пород. Подтверждением тому является статистика землетрясений и динами ческих явлений в шахтах и рудниках. Многие исследователи указывали на связь сейсмичности Земли с солнечной активностью. Известно, что солнечная активность ежегодно цикл (фактически продол жительность солнечного цикла колеблется от смическими (1938 проявления сеисмичности, вызва 7 до 16 полностью совпадают с том что к рифтовым зонам остается в силе. (1963 r.) мума сейсмической активности. Исследования И.М.Батуrиной и А.С.Батугина (1973 r.) по сопос тавлению хода сейсмической активности с изменением числа земле трясений ХХ в. и с изменением числа горных ударов на ряде место показали, что кривая сейсмической активности в общем повторяет по форме кривую изменения числа солнечных осферных плит и рифтовых V ской, Австралийской и Тихоокеанс;~;:В:~оrо океанов приведена на зон Атлантического и Северноrбо своим прои,схождением и силы о язанные рис. 5.1 1 . А ктивн ьlе ' (Р ) обозначены Р 1 ; существованием океанским рифтовы~/~:ва;иu;~г~ - Беньефа - Р, . реактивные силы, возникающие в зон раничных условий можно прЙ В первом приближении для за~а;я: 1 3· 1010 кН на полоске в 1 м нять что везде величины р\ - акт в' ну сил р и р совпа' сферы шириной на всю толщину лито . дающих с широтным и меридиональным делить из условия равновесия на оси: , з• направлением: можно опре- сличи р2 ;:е Р, - уНгf,рLш, рз ;:ер\ - yHJrpL,.,, годами значи указывал, что на 11-летний солнечный цикл приходится два макси 4 . 14, а) ением Евразиискую плиту с лет). Так, по тельно ослабления солнечной активности. А.Д.Сытинский рождений (рис. р лее правильно. Основной же наш выво;е~ств~ем поступающей в них г.), годы с самыми интенсивными микросей возмущениями иуроченности к этим зонам V Другой планетарной силой является солнечная активность, одним мнению П.Бернала р . 4 5 говорится лишь о пр б . . иной астяжением, что, конечно , о- ' щая силовое воздействие на Схема расположения сил, отражаю Аравийской индий., • 0 стороны Африканскои, Влииние солнечной аитивности ! !-летний нке же ошибочно показано, денном ранее ~ис. магмы под высоким давл изменяется и имеет в среднем Н действовать напряжения ~жатия. :пр~;?.ения растяжения. На приве приурочены зоны сжатия, вызванные в напряженном состоянии земной коры. 4.1.2. rих океанских рифтовых зонах должны ь нижней поверхности плиты; Lш и ~~!~~;акк~:t!ь~~;:;'::;~н:f~!,:~uр~т::;~::еь':~=п~:~~::о; :е~~~=:;~ овальном направлениях, у ' Н щие на нижней подошве плиты толщинои ,-· р и р для следующих типовых П Определим величины V , з p~epf. - о 001 что примерно соотнетствует коэффицие7нт~ условии. тr , • , . Н = 30 км; L = I,5·1O м, внешнего и внутреннего трения в ма1 ме, ' ш пятен, причем максимумы сейсмической активности Земли совпадают 110 времени или несколько отстают от максимумов ЛR. На рис. 4.14, в показана связь числа сильнейших землетрясений с максимумом числа Вольфа в солнечном цикле. При этом число зем летрясений в год определялось как частное от деления общего числа землетрясений, имевших место в течение данного солнечного цикла, на продолжительность цикла. На указанных рисунках видна тенденция к увеличению сейсмической активности Земли с увеличением макси мального значения числа Вольфа в солнечном цикле. На рис. 4.15 представлены динамика числа горных ударов двух месторождений и изменение солнечной активности 80 R. N для Видно Рис . 5 .11. Схема приложе ния сил к Евразийской плите 97 кад» в районе северного Ирана и Турции, включающий в себя про L" = 0,5 · l0 7 м; у Н, = 750 МПа . Тогда для рассмотренных значений 1 параметров имеем: Р2 = О,2 · 10 10 кН; Р3 = О,9 · 10 0 кН . Более точные расчеты распределения сил Р2 и Р, вдоль контуров растание очередного поддвиrа, в результате которого и произошло указанное землетрясение). Такие же многокаскадные срезы, воз можно, методом конечных элементов (МКЭ) , установив более детально конфи юга плит имеет место не одна поверхность среза, а несколько (может, много). Поверхности могут быть прерывистыми по простиранию и глубине. В данном случае, скорее всего, имеет место широкая нару шенная зона с поверхностями многих нарушений , простирающимися вдоль границы раздела литосферных плит. Вся эта зона характеризуется крайне неравномерным распределением напряжений. Взаимное пере мещение плит идет по неровным поверхностям. В районе этой зоны плиты можно выполнить каким -либо численным методом, например гурацию плиты и распределение активных сил Р 1 ; задавшись при этом известным изменением толщины плиты , можно распределение сил Р, и Р3 по~учить, как реакцию вдоль заделанной части контура плиты. В дальнеишем, используя расчетные значения величин Р, и р, можно выполнить расчет поля напряжений как в самой плите , так и~ отдель ных составляющих ее меrаблоках. Рифтовые зоны раздвиrа появляются на участках литосферы, имеющих наименьшую толщину, например, в средней части океанов. Прорыв магмы приводит к образованию хребтов и, вообще, утол щению коры в этом месте. Длительный, а может и многократный процесс в этом направлении приводит, в конечном счете, к утолщению литосферы . В то же вре!'vlя отток магмы из-под континентов приводит к их оседанию. Не здесь ли кроется разгадка смен дна морей и океанов на континенты и наоборот (известно, например, что на месте Ураль ского хребта было море)? Здесь необходимо указать еще и об утол щении земной коры в зонах субдукции. Величины сил р 1' р? и р3 определяются, исходя из расчета по соответствующим океанским рифтовым зонам (но с учетом толщины литосферы, когда определя ются заданные напряжения), Р - по силам трения при поддвиrе . 3 Наиболее сложные условия возникают при относительном переме щенvии литостерн~! Х плит Евразийской, с одной стороны, и Индий скои, Аравиискои и Африканской - двигаются с юга на севеr, Евразийская с другой. Последние плиты - с запада на восток с неболь шим разворотом на юго-восток. _Поскольку в этом случае реализуется условие разрушения в форме «сжатие - срез», то происходит не только относительное перемещение плит по поверхности среза, но и взаимное их « проникновение » в направлении: юг - север . Естественно предположить, что указанное « взvаимопроникновение » ведет, в конечном счете , к утолщению плит в раионе границы между соответствующими плитами . Этим, по-види мому, и объясняется значительное утолщение земной коры в этом мес.;е и наличие :,ор. Можно допустить , что в восточной части границы (раион взаимодеиствия плит Евразийской и Индийской, а возможно и Евразийской и Аравийской), происходит поддвиг плит. Где столкно вение плит, а где поддвиг - требует уточнения. Причем можно в некоторых случаях говорить о « каскад ном » поддвиrе , как это мы предположили при расследова нии Спитакского землетрясения («кас- 98 наблюдаются и в Юго-Восточной Азии. Это свидетельствовало бы, что в районе взаимодействия евразийской плиты и прилегающих к ней с постоянно возникают и исчезают 1\•tестные участки с предельно напря женным состоянием. В конечном счете возникают условия для «пе ремещения» плит и их «взаимопроникновения » по подобию движения сороконожки. Здесь необходимо еще оценить «разуплотнение» массива в обширной зоне, прилегающей к границам раздела литосферных плит. Чем ближе к земной поверхности, тем больше угол внутреннего трения и тем больше коэффициент разрыхления массива, больше толчко образность деформаций и выделения сейсмической энергии. Ниже предпринята попытка оценки напряженного состояния зем ной коры, да и литосферы в целом, используя положения, установленные ранее в работах [40 , 42,431: горизонтальные силы в литосфере возникают в рифтовых зонах, действуя перпендикулярно их простиранию, за счет поступления магмы под давлением, соответствующим уН,, где Н, - толщина литосферы: н аращивание литосферных плит в рифтовых зонах и их погло щение в зонах субдукции создают условия существования своеоб разного предельно напряженного состояния в литосфере н целом; вблизи земной поверхности на различную глубину от нее по отдельным участкам земной коры возникают зоны предельно напряженного состояния массина пород; величина горизонтальных сил в срединно-океанической рифтовой зоне, например, в Атлантическом океане достаточна, чтобы литосфера на этом участке перешла в предельно-напряженное состояние по всей среднее горизонтальное напряжение, действующее поперек рифто- ее толщине; вой зоны, передается по всей толщине литосферной плиты; величина горизонтальных. напряжений в каждом участке лито сферной плиты будет определяться с учетом блочной структуры и занисит от толщины литосферы соответствующего участка; горный массин рассматривается , как сплошная среда. 99 Приняты также некоторые ограничительные условия: минимальные линейные размеры мегаблока должны быть более пятикратной толщины литосферы. Можно принять, что в общем случае линейные размеры мегаблока должны быть более 300 км; снижение концентрации напряжений отражаются в узлах разломов, чтобы «смягчить» излишнюю искусственно возникающую при расчетах их концентрацию в этих местах. Линейные размеры участков разломов от мест их пересечения, на которых необходимо «смягчение» кон центрации напряжений, принимаются равными толщине земной коры в месте узла разломов. Следует отметить, что хотя расчет напряжений в блочном массиве литосферы должен, в принципе, производиться с позиций сугубо трех мерной (пространственной) задачи, определенные выводы можно по лучить также и из решения плоской задачи о напряженном состоянии системы плоских блоков с границами между блоками, перпендикуляр ными земной поверхности, нагруженной горизонтальными напряжени ями сжатия, усредненными по толщине литосферы. При этом предпо лагается, что все блоки с одинаковым модулем упругости, дефор 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 мируются упруго, а все неупругие процессы (т. е. подвижки между 4.50 блоками) переносятся на контактные поверхности между блоками. На рис. 5 .12 представлены результаты расчетов полусуммы безраз мерных субширотных и, и субмеридиональных иУ напряжений в блоч Рис. 5.l~ределение полусуммы напряжений (иr + и)/ 2 / / - границы мегаблоков II ранга; 1 1 - В границы мегаблоков Ш ранга; ном массиве*. Вдали от контактов блоков (например на участке А) величины и, и - изолинии безразмерных напряжений иУ можно практически трактовать как главные напряжения т,у на участ они На рис. 5.12 приведен фрагмент из карты rеодинамического райрования части территории России А С Батугины . . ми С И П . . , построенной и м Б . . v атугинои, етухоным, с использованием топографической ке А весьма невелики, так как по условию «сброс» касательного на пряжения на контактах между блоками сос'J'iавляет соответственно на контактах между блоками II ранга и 5% - 10% на контактах между бло . н а приведенном рисунке показаны II и Ш рангов. Мо~но попытаться оценить напряженное состояние выявленной ками Дляv это~о необходимо установить граничные условия по конт того, как безразмерные значения главных напряжений о/ и и/ на участ карты масштаба l .· 4 ООО ООО III ранга. Поэтому для дальнейшей количественной оценки рас границы мегаблоков пределения напряжений уже по толщине литосферы будем считать б (штрихи означают, что напряжения являются безразмерными). После лочнои структуры. Еврабзиискои литосферной плиты и задаться условиями на контак~~~ мега локов. С учетом и~ложенного граничные условия для расчета напряжений в литосфернои плите ориентировочно принимаются в следующих относительных показателях: напряжения и и и на участке А главными напряжениями и 1 ' и и; х - у ке А известны, можно выполнить расчет напряжений по глубине**. Для этого вначале вычисляются размерные значения, например в МПа, главных напряжений u 1 и и2 • Далее для известной толщины Н ли тосферы на рассматриваемом участке вычисляются величины ~ 1 ~•-' ~ 1 ~•• и напряжения, действующие соответственно в предельно напряжен- напряжение в субширотном направлении равно З· напряжение в субмеридиональном напранлении ~авно 2. , При сцеплении в массиве пород, принятом за l, сцепление в оль разломов Ш ранга принимается 0,95, а вдоль разломов II ранга -l9o. 100 * Расчеты выполнены с участием В.В . Зубкова с использованием про г раммы ** BLOCK 2D [411 Расчеты выполнены с участием В.С . Сидорова 101 мостей [41]: q1~'"' = о,5( 4 q; + q; + ;Н1 ,) 1 ;;' + О,5(4 q; + ;Н11 + 7н\1- (5.15) 0 - предел прочности на сжатие пород вблизи земной поверх ности с учетом ~коэффи~иента структурного ослабления, МПа; а0' = а0 при свободнои земнои поверхности (суша)·' а'о = ао + Зу в h при давлении столба воды (дно океана); У,, = 1 т/м 3 - удельный вес воды; h - средняя глубина океана в месте задания граничных условий [44]. 0 Величина а ' учитывает рост предела прочности на сжатие за счет давления столба воды высотой h. Н - глубина пластического течения горных пород, км. Величина Нш, о~ределяется из зависимости: ;Н,,, = 1 . qj ~(8q;-ci) 2siп - = q; + напряженном состоянии. Для вычисления размерных значений а 1 и а2 необходимо определить размерные значения напряжений, заданных в качестве граничных условий. Поскольку граничные условия заданы на участках земной коры, перешедших в предельно-напряженное состояние по всей ее толщине, то эти напряжения вычисляют по формуле (5.14). Принимается гипотеза, что полное напряжение во внутренних точках блочной мега- плиты является суммой напряжений исходного состояния и дополнительных напряжений, обусловленных воздейст вием дополнительных напряжений, действующих в рифтовой зоне и (5. l 6) 1 нр х 1 = 2 ;Н + л (Ун 3' q (5.18) при свободной земной поверхности где х - коэффициент концентрации субширотных напряжений, рассчи тываемый по прогнозной карте распределения напряжений (программа . р 1+ s111 -- BLOCK 2D). при давлении столба воды h 21z. . р 1 -sш -· 2 Пример расчета. Граничные уело ия: глубина Атлантического в океана h = 3 км, а0 = 30 МПа, по формуле (5.16) Н"-" = 10 км, Н, = 40 км. Для указанных параметров а0' = 30+3 х 30 = 120 МПа. Вычис лим а 1гран по формуле (5.14) при 0"0 = 120 МПа; а 1 IJЫH . . = 575 МПа. 1 ас;;';", то литосфера по всей толщине на рассматриваемом учас~ке находится в упругом состоянии. Если cr 1 расположена в интервале Определим напряженное состояние участка земной коры, для которого выполнялись расчеты по программе BLOCK 2D для следующих значе ний исходных параметров Н = 80 км, Н 1 " = 13 км, cr0 = 30 МПа по формулам литосферы, перешедшей в предельно-напряженное состояние, при этом определяется из выражения [41]*: Петухов С. И ., Сидоров В. С. К оценке напряженного состояния океа нического дна . М., МГГУ. ГИАБ , No 4 - 51 , 1996. - С. 10- 12. и t.:r, (5.15): = 1056 МПа и a"'in ер = 1015 МПа. Пусть заданы в безразмерном виде граничные условия: а, = 3 в недостаточно для перехода в предельно напряженное состояние масси ва горных пород по всей толще литосферы. Толщина Н0 верхней части (5.14) a""IX ас~""< а < ас~'"', то средних горизонтальных напряжений а 1 уже 1 102 1/2(у вh + уН) (Нр - толщина р При этом а в точке А определяется из выражения: ' Если cr > ас~'"', то рассматриваемый участок литосферы находится 1 в предельно-напряженном состоянии по всей ее толщине, а если cr < * - земной коры в рифтовой зоне). 2 где (5. l 7) По формуле (5.17) для конкретных значений а0 , Н 11 ", Ни cr 1 можно определить толщину слоя литосферы, находящегося в предельно являющихся разностью: Ла = cr1гран р -sш - qj - ;Н - q; q;(l + 2Н_\ ' Н,,,) Н ;;' ) (5.14) где а =2q Н0 ном и упругом состояниях по всей толщине литосферы из зависи субширотном направлении, av = 2 в субмеридиональном направлении и пусть рассматривается в6лизи точки А (см. рис. 5.12) участок литосферы. Вычисленное значение u 1' в этой точке равно 2,6. Размер ная величина Ла = 575 - 1/2 (30 + 1000) = 60 МПа. По формуле (5 .18) cr = 1026 МПа. В этом случае ас;:"" > а 1 > a c~,in и, следовательно, 1 103 Таблица литосфера на рассматриваемом участке до некоторой глубины Н0 находится в предельно напряженном состоянии, а нижняя ее часть - в упругом состоянии. Величина Н 0 определяется по формуле (5.17). Для указанных выше значений исходных параметров величина Н0 составит км, т. е. в рассмотренном примере участок литосферы до 14 глубины Н , равной 0 Расчетные величины cr1 , МПа Месторожде- = 80 км литосфера находится в упругом состоянии. На рис. в качестве иллюстрации возможности практического 5 .12 использования изложенной методики приводится пример расчета 1 главных напряжений а , а2 и а3 по всей толщине литосферы примени тельно к участку А. Н,м ние, бассейн км, находится в предельно напряженном 14 состоянии, а далее до глубины Н 5.1 Апатиты СУБР 1000 2000 3000 4000 5000 6000 о 200 500 50 30 54 60 68 88 40 30 21 49 40 32 68 60 53 162 34 Кизел Сучан Расчет напряжений выполняется в каждой (любой) точке лито Воркута сферы по суммар ному среднему напряжению от земной поверхности Кузбасс 10 24 14 125 100 75 до подошвы литосферы (с учетом толщины литосферы в данном мес те). Точка литосферы, для которой рассчитываются напряжения, долж на выбираться на расстоянии от разлома, равном или большем О,5Н. при Н 0 Из предложенного метода расчета напряжений по глубине от (J'I земной поверхности до подошвы литосферы следует, что при этом 0' можно использовать имеющиеся результаты измерения напряжений, полученные, например, для какой-то глубины в руднике, шахте с помощью метода разгрузки или гидроразрыва. Фактические дан ные подставляются в соответствующие формулы, что позволяет получить все значения напряжений по глубине литосферы. Авторы отдают себе 3 < Н s Н,. : = ~ + (rH, - О'~) (Н - Но)/(Н,. - Но); = у Н; 0'2 = 1/2 (0' 1 + 0'3), где Н - толщина земной коры на рассматриваемом участке; ai° значение ' а , вычисляемое по формуле (5 .19) при Н = Н0 . 1 На рис. 5. 13 представлена схема, иллюстрирующая задание гранич~ ных условий по мощности зем ной коры. Рассматривается весомыи отчет в том, что таким образом могут быть даны лишь ориентиро Зелтая вочные оценки. Эти данные могут быть получены без особых труд 5.1 cr1 СУБРа, Наименьшее главное напряжение: а3 = (cr1 + а3 ) 1 0' 1 = УН = , 111 ,,. Н 2 состояние 0 3 111ах ka0 (k = упругое состояние - О'О) Н / Н ш1'' 2 -т4 в зависимости от физико-механических свойств массива горных пород) ; Н 11 л - определяется по формуле 104 2000 2. / s Н0 : + О'U + (2 Т = 1000 1юпря:жешше уН, а среднее а2 может быть (5 .19) где МПа О', МПа После того , как величина Н определена, распределения главных s =30 предельно Таштагола, Апатитов. напряжений а , а и а по толщине земной коры становятся извест ными при О 0 в качестве примера приведены данные расчетов для наибольшего главного напряжения принято а2 0' п оверхность ностей и в большом количестве. В табл. (5.20) (5.16); Рис. 5. 13. Распределение жидкое состояние cr,, cr2 и главных напряжений cr3 по толщине литосферы в районе точки А Н, к.м 105 2) на граничных поверхностях между блоками, на отдельных участках которых реализуются услоння частичного или полного про- параллелепипед, включающий систему блоков (многогранников) различных ранr~в. Могут быть изучены различные варианты: упругие своиства блоков являются неизменными в пределах того скальзывания. В первом случае на поверхностях горных выработок задаются граничные условия в напря жениях по методикам, принеденным, например, н работе f41]. При извлечении жидких флюидов определя ются размеры депрессионных воронок в окрестности сетки скважины и на этих поверхностях задаются граничные условия в дополнительных или иного многогранника; блоки являются слоистыми и в пределах каждого слоя задается модуль упругости; внутри блоков могут быть те или иные упругие включения (линзы интрузии) с за3анными упругими характеристиками. ' ~ На верхнеи поверхности блочного параллелепипеда при отсутствии напряжениях деиствия поверхностных сил (давление воды на морское и океаничес ность и т.д.) задаются нулевые граничные условия = уН - р(х, т = т =О CJ кое дно, в водохранилищах, давление терриконов на земную пове х- (Jy где = •ху = •yz р = О, р При наличии действия поверхностных сил = f(x,z); •ху = •yz Во втором случае для учета частичного или полного проскальзы- (5 .22) гдеf(х,z) - заданная функция распределения на земной пове нормальных нагрузок. рхности На нижней границе блочного параллелепипеда (при у= Н) можно ху вания на контактных поверхностях между блоками задается паспорт контактной прочности между соответствующими блоками. В качестве паспорта контактной прочности можно использовать условие специального предельного равновесия в форме Кулона-Мора: (5.26) ' где , и u соответственно касательное и нормальное напряжения, действующие на контактнои поверхности между блоками; с и Р; соответственно с1\епление и угол тр~!11ия на контактной поверхнос- (5.23) - 11 11 V = О; (5.25) ' нок, МПа . = О' задать граничные условия в двух вариантах: т = тyz = О,· (J = -уН · у г' yz где Н р - глубина разработки нефтяной залежи, м; уН р - вертикальные напряжения на глубине НР, МПа; р(х, z) - .,функция распределения пластового давления вдоль поверхностен депрессионных воро- crY -~ вертикальные напряжения ; 'ху и 'yz - касательные нап я- CJY z); р ху (5.21) жения, деиствующие вдоль земной поверхности. у (5.24) Вторая форма задания граничных условий удобна при исполь ~~~;~~ для расчетов поля напряжений метода конечных элементов Выше рассматривался случай, когда внутри блочного параллеле пипеда дополнительные силы отсутствуют, т. е. разрывные смещения ~ деформации отсутствуют и блочный параллелепипед деформируется без разрыва сплошности. В то же время по поверхностям между ти, МПа . При отсутствии экспериментальных данных для конкретной горно- технической ситуации для расчета можно принимать значения углов трения, представленные ниже. Значения углов трения на контактных поверхностях между блоками различных рангов лаками в ряде случаев может иметь место частичное или полное проскальзынание. Дополнительные силы внутри параллелепипеда Контактная поверхность I н ш IV У1 ·ол трения, градус 10 16 20 24 по~вляются также при наличии горных выработок и при откачке нефти и газа. В эт их случаях необходимо заданать и внутренние граничные условия: 1) на поверхностях, соответствующих границам отработки по лезного ископаемого (угольные, соляные и продуктивные пласты рудные залежи); 106 ' У ранг и ниже 26 Получение н будущем удовлетворительного решения вопроса предстанляет достаточно большую сложность и требует дополнитель ных исследонаний и серьезных теоретических изысканий. 107 Во-первых, требуется развитие представлений о геодинамической модели блочной структуры литосферы и земной коры, как ее составной части, уточнение природы и количественных зависимостей образо вания иерархической системы блоков, выявление роли астеносферы в образовании и поведении системы блоков в литосфере. с ил, действующих перпендикулярно к рифтам в соответствующих л итосферных плитах; устанавливаются условия взаимодействия литосферных плит на их д ругих общих границах (субдукция, противостояние и пр.), произ водится оценка взаимодействующих сил; определяются граничные условия для расчета главных. напряжении V Во-вторых, необходимы разработка специальной программы рас сложной блочной структуре в трехмерной постановке задачи на основе для каждой литосферной плиты; выполняется геодинамическое районирование в пределах каждои метода МКЭ, обеспечение этих работ соответствующим оборудо литосферной плиты; чета напряжений и параметров газо-гидродинамического состояния в ванием. В-третьих, необходимо ускорение работ по созданию общей теории толчкообразного деформирования горного массива в земной коре - одной из наиболее крупных проблем геодинамики недр, как новой отрасли наук о Земле [42]. В-четвертых, необходимы далее значительные уточнения о при ложении сил и поведении массивов пород на границах взаимодействия литосферных плит. 5.4. ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И СОВЕРШЕНСТВО ВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ НАПРЯ ЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В ЛИТОСФЕРЕ V · выполняется расчет главных напряжений для блочной структуры каждой литосферной плиты. При этом следует отталкиваться от однойv из главнь~х наших по~ы л ок о том, что литосфера является природно и системои, находящеися в предельно напряженном состоянии под действием, главным образом, сил гравитации. Планетарные силы, как выше уже отмечалось, так же как и силы, действующие со стороны атмосферы. дестабилизируют напряженное состояние в литосфере, вызывая его постоянное и прежде всего толчкообразное изменение, что , как известно, является харак терным для зон, находящихся в предельно напряженном состоянии (см. главу З). Каждое толчкообразное изменение напряженного состоя ния вызывает такие же изменения в прилегающем массиве пород. Процесс идет в пространстве и времени. В этом суть природы земле трясений в той части литосферы, которая находится в предельно напряженном состоянии или временно попадает в такие условия. Изложенные выше предложения по оценке главных напряжении в V Как указано выше, разработанные подходы и методы расчета поз воляют ориентировочно оценивать параметры усредненного напряжен земной коре и в литосфере в целом должны получить дальнейшее со ного состояния в любом регионе литосферы по площади и по глубине. верше нствование и применение. Степень приближения к конкретно существующему полю напряжений будет тем выше, чем в большей степени могут быть использованы отдельные уже известные показатели напряженного состояния, полу ченные, скажем, методами гидроразрыва или разгрузки. Вследствие указанного, общие подходы и методы к совершенст вованию такого рода расчетов достаточно ясны и поэтому нет необхо димости еще раз подробно на них останавливаться. Более сложной является задача оценки напряженного состояния всей литосферы Земли, представленной системой взаимодействующих литосферных плит. Общая схема решения такой задачи сводится к рассмотрению сле дующих этапов и позиций (с учетом, конечно, изложенного выше в главе 5): устанавливаются все рифтовые зоны и толщина литосферы по всей их длине и определяются, следовательно, величины горизонтальных 108 При этом Т ГIЛ = Тогда формулу /iтава 6. т/т0 аН. Г (6.1) = можно представить в виде 1- (6.2) Н!Нг. Таким образом, сопротивление сдвигу (предел «текучести») r с рос ПАСПОРТ ПРОЧНОСТИ МАССИВА ГОРНЫХ том Н будет уменьшаться и стремиться к нулю при Н ➔ Н,, поскольку ПОРОД ПО ГЛУБИНЕ ЛИТОСФЕРЫ в жидком состоянии r О. С учетом поправки на изменение температуры формула = (6.2) для расчета т имеет вид -( __!!_J /J+ ✓ j} + l6K (P ;J) 2 6.1. т- l ПОСТРОЕНИЕ ПАСПОРТА ПРОЧНОСТИ НА СДВИГ Н 2 16К 2 - (6.3) г Исключительно большое значение для решения вопросов геоме При Н ханики при открытых и подземных разработках полезных исI<опаемьiх, = Н,," и т =т 111 ах Н,,_1 J fi,,.·, проектировании гидротехнических и других крупных сооружений ',пах= [ 1- Н,. имеет паспорт прочности горной породы Кулона-Мора. В этом пас 4К. (6.4) порте удачно представлено определение прочности материала по сцеп прочности. Поэтому возникла необходимость разработать паспорт Введем показатель 1-1 = т / r,,,ax' который является относительным, характеризующим изменение величины r с ростом глубины Н и с прочности учетом температуры лению и углам внутреннего трения массива горных как основных пород с учетом хараI<теристиI< влияния температуры и потери прочности его при приближении к состоянию гидростатистики, t. Тогда имеющей место на контакте земной I<Оры и верхней мантии. Наличие такого паспорта позволит более обоснованно и оперативно решать задачи геодинамики применительно к различным участI<ам 4К ;J-1111 по пло щади и глубине земной I<оры. На величину предела прочности при сдвиге r земной I<оры 5.2). сущест Из анализа экспериментальных данных [7.1 следует, что в первом приближении можно принять лине~iную зависимосп, предела проч ности при сдвиге r от температуры t: r/r0 где r0 - = 1- t! Т,,_. ,, (6.1) предел нрочности при сдвиге при комнатной температуре; Тш, - температура плавления горных пород. KaI< следует из анализа приведенных в принята линейная зависимость t где а но - = t 5.2 от глубины Н: а.Н, некоторый постоянный ко э ффиниент. Изменение величины f..L с ростом глубины Н при К= = 0,45 венно влияет температура горных пород (см. параграф данных, может 6ыть ппказано на рис. (6.5) 4 и H"JH, = 6.1. Из анализа приведенного графика следует, что с увеличением Н вначале происходит рост предела прочности при сдвиге r до Н = Н"л' далее величина r убьшает и стремится к нулю при Н ➔ Н,. Выражение неличины Н 1 (6.5) позволяет получить соотношение, связывающее Н и характеристики паспорта прочности земной I<оры. Величинан,::: (сl\,;_ рис. 6.1) соответствует r, 11 a, на паспорте прочности может быть определена из условия минимума на 1<ривой паспорта dµldfl = О. и (6.6) Получающееся при этом выражение является весьма громоздким. Приведем приближенную количественную (щенку соотношения ве личин Н,,,, , Н, и характеристик паспорта прочности земной коры, 111 Oг--~-0.-;-,5 _ _ _--тt_r.;..'j_1:,"'"'maк исходя из линейной аппроксима- Рис. ции величины т от глубины Н: 1- %Jc z;, + r~ ( 1- 0,25 где r0 = 6.3 (справа). Схема камеры: камера высокого давления; rащслительный поршень; ;fftg ~, (6 7) о-/2 при Н = О; р - угол = О по тродвигатель; д вигатель; <.:бор ник; ТЭН; 8- 10 - 3 - элек 5 - забойный 6 - це1пратор; 7 - шламо 4- .JлeкmpoddoiJ 2 - на<.:ос ; блок горной породы; t 9- поршен,, горного давления внутреннего трения . Тогда из условия dт ldH лучим следующую зависимость для определения неличины Н l ;Н,,, = 2 ;Н., - 0,75 где Р 11 л - : Zi> "" ?ct - gp,, ' ( 6.8) угол внутреннего трения =Н . Эта фор~ула устанавливает связь при Н между Н"" ' Нг, ro и Р11л· В качестве примера рассчитаем величину Н 11 " при следующих зна н чениях параметров: Рис. 6. 1. Паспорт прочности земной коры в зонах сжатия с уче том напряженного состояния температуры и = 750 МПа Н,. = 30 км, = 10· · ~о = о-/2 = 1'5 МПа. ' rH Тогда у Н11 л Н IIЛ 13 р = 30 МПа или км. Б.2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ, ПРИБЛИЖЕННЫХ Н НАТУРНЫМ Предлагаемые решения по напряженному состоянию массива горных пород должны уточ няться по мере получения дополнительных данных о физико - механичес1<их свойстнах горных пород с учетом совместного влияния напряженного состояния и температуры. При этом особое з начение имеют исследования на установке высокого давления «Геоэнергия» конструкции ВНИМИ и ВНИИБТ (Пермский филиал)*. Устанонка предназначена для испытания крупногабаритных образцов в термодинамических условиях, соответстнующих глубинам до 15-20 км (рис. 6.2). Установка «Геоэнерrин» рассчитана на разме щение в ней испытуемого образuа горной породы (или искусственного материала) диаметром 260 мм высота камеры до 250 112 1500 мм, поrружных электро 50 м. Камера рассчитана на создание бокового давления МПа и осевого давления на образец до 500 МПа. Температура 350° С. Камеру (рис. 6.3) размещают в 50 ми диаметром 6 м, над которым смонти Может изменяться от О до шахтном стволе глубиной * Руководители разrаботки И.М.Петухов и Н.Д.Деркач и высотой двигателя и насоса, испытуемого забойного двигателя и долота. Общая rювана буровая установка. 113 разнитие, а также возможные последствия, место и время будущих катастрофических и мелкомасштабных динамических явлений. 7. Исследование возможностей использования энергии земной коры. Комплексный подход в исследованиях с получением закономер Глава 1 ностей поведения горных пород в реальных условиях позволяет сос танить общее представление о свойствах и энергетических возмож ностях массина горных пород. Достоверные знания о величинах ГЕОДИНАМИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ НЕДР энергии массива, характере реализации этой энергии в разных си туациях позволяют разрабатывать тактику взаимоотношений с мас сивом при максимальном использовании его энергии с гарантией отсутствия геодинамических явлений. На установке «Геоэнергия» представляется, кроме того, возможным 7.1. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И СОДЕРЖАНИЕ МЕТО· ДА ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РАЙОНИРОВАНИЯ НЕДР проведение испытания и отработка параметров аппаратуры по автома тизированному управлению режимом бурения сверхглубоких скважин в целях обеспечения эффективного бурения их в экстремальных условиях больших глубин. Эти работы ведутся совместными усилиями сотрудников ВНИМИ, ВНИИБТ и Уральской сверхглубокой СГ-4. Указанные работы имеют приоритетное значение. Следует отме Метод геодинамического районирования месторождений - как метод исследования естественного напряженного состояния массива горных пород - сформировался в 1978-1979 гг. * [4] в связи с решением вопро са о доле участия современной тектоники в проявлении горных ударов. тить, что установка «Геоэнергия» была запланирована в начале 1970-х К этому времени значительно возросли глубины разработки место годов, прежде всего, для получения данных с целью совершенствова рождений, появились горно-тектонические удары и техногенные зем ния бурения сверхглубоких скважин. Уже в те годы на основе опыта летрясения. Утвердился тезис о том, что горные удары есть результат [37] было ясно, что существующая технология и техника взаимодействия двух процессов: современного тектонофизического и бурения сверхглубоких скважин не могут обеспечить их бурение на технологического, создаваемого инженерной деятельностью человека горняков глубинах свыше 10-12 км. Существующие теории бурения не предус при отработке месторождений . Эта уверенность базировалась на фактах матривают бурение скважин в экстремальных условиях больших превышения горизонтальных напряжений tiaд вертикальными, уста глубин, когда имеет место повышенный против номинального выход новленных учеными-горняками в результате большого числа измере выбуривс1емого материала, интенсивное кавернообразонание, искрив ний, произведенных в горных выработках различных регионов. Причи ление скважин, прихваты бурового оборудования и др. ну этой закономерности горняки объясняли влиянием современной Таким образом, использование установки «Геоэнергия» будет тектонической деятельности (С.А.Батугин, И.А.Турчанинов, Г.А . Мар способствовать уточнению параметров паспорта прочности массива ков и др.). Геологи, в свою очередь, заинтересовались этими экспери горных пород земной коры, условий, характера и количественных ментами. Но одни не придавали им серьезного значения, считая, что показателей обмена энергией между элементами массива и, в конеч в нарушенном горной выработкой массиве не может идти речь о ном счете, позволит существенно продвинуться в решении вопросов современной тектонике . Другие (П.А.Кропоткин , О.И.Гущенко и др.) теории и практики геодинамики недр как одной из наук о Земле. пытались использовать эти данные, наряду с данными о напряжениях в очагах землетрясений, для воссоздания современного поля напря жений значительных территорий. Таким образом наметилась кон кретная граница взаимопроникновения геотехнологии в геологию и * Методические указания по профилактике горных ударов с учетом геодинамики месторождений. / И . М.Петухов, И.М.Батугина и др. - Л. : вними, 1980. 117 обратно, а знач ит, появилась тенденция к возникновению смежной области наук о Земле. 11,м !ООО Для горной науки возникла методологическая проблема необходи мости изучения и учета естественного поля напряжений массива горных пород при проектировании, строительстне и эксплуатации 10'1 начиная с 1900 2,5 тыс. источников публикаций по горным ударам, г. Из этого анализа следовало, что наличие зон повы [ ~ ~ горных предприятий, опасных по горным ударам. Для этого был проведен анализ ч:::. ~ 800 ~ ~ 500 шенных тектонических напряжений в массиве горных пород при разработке месторождений подтверждалось фактами: стреляния горных пород в тоннелях (М.И.Евдокимов-Рокотовский, 1929 1/00 г.), объясненного современной тектонической деятельностью; 31 '110 участия энергии вмещающих пород в проявлении горного удара (И.М.Петухов, 1954 гоо г.); превышения горизонтальных напряжений над вертикальными на отдельных рудниках, полученного инструментально по методу раз грузки, и объяснение этого факта с позиций сонременных движений земной коры (С.А.Батугин и др., 1964 г.); приуроченности мест возникновения внезапных выбросов угля и газа к зонам максимального изменения скоростей современных дви жений земной коры (Г.А.Коньков и др., 1965 г.); о Рис. 1/0 10 7.1. 70 1001'max, М па. Распределение числа горных ударов по глубине для место рождений, расположенных в различных тектонических зонах (цифрами показано максимальное число горных ударов на месторождении на дан ной глубине) наличия связи неравномерного распределения горных ударов по площади и глубине с касательными тектоническими напряжениями (И.М.Батугина, 1968 г.). возрастает в определенные часы, дни, сезоны года. Это обусловлено влиянием на напряженное состояние пород таких глобальных факто Эти и другие факты свидетельствовали о том, что в массиве горных ров, как действие солнечной активности, лунно-солнечных приливов, пород есть особо опасные зоны, которые обладают определенными неравномерности скорости вращения Земли и т.д. (И.М.Батугина, свойствами, отличными от соседних зон. Анализ локальных геологи А.С. Батугин, ческих и горнотехнических условий проявления горных ударов убеди 1966-1969 гг., И.М.Пе,:ухов, 1972 г.). В связи с этим появилась вторая методологическая проблема тельно показал, что в формировании и проявлении горных ударов на горной науки: раскрыть механизм формирования исходного поля угольных шахтах участвует вся система «у гольный пласт боковые нап ряжений в районе месторождения на стадии проектирования и породы» и что горный удар происходит вследствие превышения ско строительства горных предприятий для выявления опасных, текто - рости приложения нагрузки над скоростью релаксации напряжений в нически напряженных зон (ТНЗ). Но с помощью какой информации угольном пласте, а энергия горного удара складывается из энергии этот механизм раскрывать? На стадии проектирования и строительства упругого сжатия пласта и притока энергии из окружающего массива мы имеем общую геологическую карту, инженерно-геологические (И.М.Петухов, данные о свойствах грунтов в местах сооружения промплощадок, 1954-1972 rr.). Установлено также, что горные удары проявляются неравномерно сведения о физико-механических свойствах пород, полученные на в пространстве и времени. Интенсивность горных ударов и условия их основании результатов бурения скважин под стволы. Наличие только проявления этого фактического материала о естественном состоянии недр в районе в пространстве значительно зависят от величин каса тельных тектонических напряжений в земной коре, а также времени и месторождения не давало достаточного основания для режима их действия. Причем, чем больше величина касательных механизма формирования естественного поля напряжений. напряжений, тем с меньшей глубины и большей интенсивностью происходят горные удары (рис. 118 7 .1). Кроме того, число горных ударов раскрытия Однако разработка месторождений ведется на глубинах до 5 км, т. е. в верхних частях земной коры. Следовательно, исходное поле 119 Таблица напряже ний горных п о род в районе разрабатываемого месторождения обусловливается теми физико -х имическими процессами вещества Использование закономерностей, зе мной коры, изучением которых за нимаются науки о Земле, такие как полученных в смежных науках о Земле 7. 1 геология, геофизика, геохимия , география, геодезия и др. Каждая из этих наук владеет определенным уровнем информ ации о свойствах и Рюдел Область знания поведении вещества земной коры . Таким образом возникла необ ходимость использования результатов исследований перечислен 1 1ых Тектоника плит Характеристика границ плит и их взаимодействие наук о Земле, несущих информацию о тектоническом поле напря Геотектоника Законы взаимодействия разломов , продолжительность Металлогения Расположение месторождений в зоне разлома ность их «жизни», зона влияния разлома жений. Поэтому появилась третья методологическая проблема горной науки: использование в обобщенном виде результатов исследований в смежных науках о Земле для оценки исходного поля напряжений в районе месторождения. Сначала необходимо было выбрать путь обобщений. Обратились к геологической форме движения материи. Классификация форм Геоморфология Методы выделения блоковых структур Тектонофизика Механизм формирования тектонических структур, зо Геотехнология Механизмы разрушения пород при горном ударе, на на влияния разлома рушения устойчивости бортов карьеров; сдвижения движения материи отражает две глобальные п:нденции современного естествознания - дифференциацию и интеграцию его отдельных областей. В этих двух тенденциях вырабатывается общая картина развития природы как мноrокачественноrо и в то же время целостного горных пород и другие законы геомеханики Математика Построение тренд-поверхностей, распознавание об (статистика) разов Геомеханика Механика формирования сдвигового разрушения, ме ханизм формирования трещин материального процесса. Из области смежных наук о Земле, таких как тектоника, геомор Теория Взаимодействие дислокаций; характеристика границ, фология, металлоrения, геотехнология (в том числе теория горных дислокаций блочность ударов), и фундаментальных наук: механика, математика и т. д. Высшая Характер и величина современных движений земной геодезия коры - были выделены информационные блоки с данными, раскрывающими характер протекания физических процессов в земной коре, которые можно использовать для оценки напряженного состояния пород. Эти Статистические исследования являются предварительной развед информационные блоки необходимо было объединить и увязать между кой о сущности явления. Полученньщ,.при этом выводы свидетельству собой для практического использования. ют о скрытом механизме явления, который предстоит расшифровать. Обобщение фактов и синтез методов потребовали единого методо Путем синтеза информационных блоков из смежных отраслей наук логического подхода. В данном случае был выбран общий диалекти о Земле был создан метод геодинамического районирования месторож ческий метод о единстве материального мира, который позволил дений в качестве основного метода новой отрасли наук о Земле выделить одни и те же закономерности, полученные путем дифферен намики месторождений . Позднее область применения метода расши циации исследований в смежных науках, и синтезировать их по рилась, и он получил название принuипу «от общего к частному» в более или менее целостное пред ставление о естественном напряженном состоянии массива. Формирование общих закономерностей напряженного состояния массива горных пород происходит согласно известным физическим - геоди - метод геодинамического райониро вания недр, а сама новая отрасль науки - геодинамика недр L4, 42·1. Логико-структурная схема создания метода геодинамическоrо районирования недр представлена на рис. 7.2 [4J. При этом напряженно-деформированное состояние массива горных законам , действующим в природе . Однако многообразие форм движе пород в районе объекта предложено определять по принципу «от ния материи (форм энергии), действующих в зем н ой коре, затрудняет общего к частному », что позволяет абстрагироваться от частностей н выявление этих закономерностей. Переход из одной формы энерг ии в представить общее течение процесса деформи рования массива пород другую в земной коре имеет более сложный стохастический характер. в районе объе1<та. Чем больший объем горных пород принят при Логическая схема , составленная для обобщения информации в смеж исследовании, тем процесс представляется более однородным, и, ных науках о Земле , представлена в табл. следовательно, более четко выделяются скрытые закономерности. И 120 7.1. 121 структуры, классифицировать блоки по рангам (1, II, III и т. д.), Тектоника плит Выделение границ блоков Геотектоника Оценка динамического взаимодейст учитывая « главенство» блоков высшего ранга по отношению к низ вия блоков с выделением ТНЗ Геоморфология Оценка напряженного состояния блоч Металлогения Геодезия Метод геодинами ческого райониро вания ного массива горных пород Разведка, проектирование и эксплуа тация месторождений тация объектов освоения недр и зем ной поверхности Решение вопросов экологии, безопас ности жизнедеятельности и рацио нального землепользования 7.2. мического районирования соподчиненность и размеры блоков выяв высшего ранга к низшему. Таким образом, методологическими основами создания метода выявление общности закономерностей в частных науках о Земле на основании их диалектического единства; раскрытие закономерностей формирования исходного поля напря жений региона на основе изучения геодинамическоrо состояния зем- Космическая Рис. соотношения размеров блоков в структуре. В методе же rеодина геодинамического районирования недр являются: Изыскание, проектирование и эксплуа геология части выявления возможности установления количестненной оценки ляются автоматически из методики их выделения последовательно от Геотехнология Геофизика шему. Вопрос об иерархической соподчиненности блоков получил поз д нее отражение в работах М . А.Садонского и других *, прежде нсеrо, в ной коры; выявление блочной структуры земной коры на основе принципа «от общего к частному», раскрывающего существующую соподчи ненность элементов блочной структуры; Логико-структурная схема геодинамического районирования применение выявленных закономерностей для планирования месторождений безопасного освоения недр на стадии проектирования и строительства хотя такой общий процесс деформирования (тенденция образования предприятий и других объектов. Содержание метода геодинамическоrо районирования вытекает из разлома) состоит из суммы частных процессов (разрушение отдельных логико-структурной схемы (см. рис. перемычек между фрагментами формирующегося разлома), он про следующему. 7.2) и в общих чертах сводится к исходит на более высокой качественной ступени. Познав его, мы, Тектоническое поле напряжений ющ в районе месторождений, так очевидно, сможет расшифровать последовательность деформирования и в районе любого объекта, если подходить к его изучению по прин горных пород, выявив таким образом для правильного планирования, ципу «от общего к частному», можно охарактеризовать следующим например горных работ, наиболее напряженные участки разломов в образом. Земная кора состоит из плит, каждая из которых имеет свое мирования земной коры при изменении напряженного состояния в вращательно-поступательное движение. Под влиянием напряжений, действующих на границе плит, они дробятся на крупные мегаблоки, которые определенным образом взаимодействуют между собой и под массиве пород. влиянием напряжений, возникающих на их контактах, делятся на районе месторождения на данном этапе его развития. Блочная струк тура месторождения является не чем иным, как результатом дефор мерности формирования напряженного состояния для тех массивов, блоки более низкого ранга и т. д. В конечном итоге можно прийти к микроблочному строению массива, динамическое взаимодействие бло ков в котором и будет определять естественное поле напряжений в для районе месторождений (объекта). Подход к оценке напряженного состояния горных пород по прин ципу «от общего к частному » обусловлен еще и тем, что, зная законо которых они хорошо изучены, можно предположить, что эти закономерности действуют и в других объемах горных пород. Использование при создании метода геодинамического райони рования принципа «от общего к частному» (1978-1980 гг.) позволило получить возможность оперативного выделения блочной структуры, выявления взаимодействия и взаимозависимости элементов блочной 122 Такое районирование территории месторождения (участка любого другого объекта) на блоки, определение характера подвижности по их * Характерные размеры горной породы и иерархические свойства сейсмичности/ / Физика Земли. - 1984. - № 2. - С.3-15. 123 границам (динамики взаимодействия), ориентировки и соотношения V. Управление rеодинамической безопасностью и эффективностью (величины) главных напряжений в блоках составляют существо пред освоения недр и земной поверхности на основе результатов rеодина лагаемого способа оценки естественного напряженного состояния мас мического районирования. сива горных пород в земной коре. С учетом полученных результатов составляются карты rеодинами ческоrо районирования территории месторождений (участков любого 7.2. ВЫДЕЛЕНИЕ БЛОЧНОЙ СТРУКТУРЫ объекта), которые, в свою очередь, являются основой при решении МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД вопросов управления rеодинамической безопасностью и эффектив ностью эксплуатации при освоении недр и земной поверхности. Таким образом, содержание и структура метода rеодинамическоrо районирования сводятся к следующим основным положениям 1. [4, 10]. Выявление блочной структуры земной коры в ее иерархической соподчиненности с выделением тектонически напряженных и раз Блочность массива горных пород выявляется посредством мор фоструктурноrо анализа земной поверхности, для чего были обобщены и модернизированы известные методы выявления блоков по рельефу на основе использованного авторами для решения этого вопроса rруженн ых зон по принципу «от общего к частному» (по картам известного в маркшейдерском деле принципа «от общего к частному». масштаба): Методика выделения блочной структуры подробно приведена в [4, 10], поэтому далее ограничимся изложением , главным образом, основных Элемент структуры Ранг Масштаб карты 1 1:40000000 1:25000000 1: 12000000 1: 8000000 1: 4000000 1: 2500000 1: 1000000 1: 100000, 1:50000 1: 25000 1 : 10000 подходов, не вдаваясь в подробности. Основой метода является различная интенсивность вертикальных Мегаблоки II III IV V Блоки I II III IV V движений блоков по системе разновозрастных разломов различной глубины заложения. При этом имеется в виду, что любые гори зонтальные перемещения блоков находят отражение в их верти кальных движениях. Числовыми характеристиками рельефа в данном случае служат высоты площадок древней поверхности выравнивания. Эта поверхность когда-то находилась в горизонтальном или слабонак лонном положении, а в результате тектонических процессов была деформирована на отдельные блоки, поднJ1тые или опущенные при движениях на разную высоту. Отметки ·сохранившихся возвышенных участков и включаются в обработку. Устанавливают минимальную Примечание. Выделение меrаблоков условий океанического дна, а I, II, III рангов производится для мегаблоков IV и V рангов при rеодина разницу высот, достаточную для отнесения двух соседних участков к разным блокам. В каждом конкретном районе с учетом контрастности рельефа и мическом районировании литосферных плит. масштаба карты за минимальную разницу высот II. Оценка динамики взаимодействия блоков с определением степени их активности и выделением тектонически напряженных зон. III. Классификация участков земной коры по напряженности и rеодинамической опасности. IV. Оценка напряжений в блочном массиве горных пород: определение граничных условий для соответствующей литосфер О, 1 (Н шах - Н . ), 111111 где Н inax и Н . - 11ш1 h0 можно принять абсолютная высота рельефа, соответ- ственно максимальная и минимальная (без отметок врезов речных долин) %, м. В зависимости от величины h0 устанавливают градации интен си вности тектонических движений в соответствии с приведенными ниже данными. ной плиты; определение граничных условий для отдельных меrаблоков; расчет напряжений в блочной структуре для регионов и отдельных участков. 124 Минимальная разница высот... . 500-400 Градация интенсивности . .... ..... .... 1 300-200 100 50 25 2 3 4 5 125 На карте размечают опорные высоты водоразделов, тектонических Применение указанных выше методов для выявления блочной уступов или ступеней, а также равнинных участков. Отметки склонов структуры при переходе на более крупные масштабы ограничено из-за и врезав речных долин при этом не учитывают. малочисленности поверхностей выравнивания. Поэтому для выявле Природные объекты расположены на разных гипсометрически~ уровнях. Так, рудные месторождения занимают гипсометрическии ния подвижной микроблочной структуры внутри блоков IV ранга реко мендуется использовать известные геоморфологические и морфомет уровень в пределах 200-1800 м, угольные - 100-900 м, нефтяные - 50- рические методы, базируясь на имеющуюся в районе ·блока эро м. Исходя из общего положения равновесия термодинамического зионную сеть: речки, ручьи, овраги, балки. При этом границы блоков 200 состояния системы, устойчивому равновесию отвечают точки мини IV ранга переносят на более крупные масштабы 1:10000, 1:5000 и 1:2000. Точность топографической съемки указанных масштабов мума, т. е. чем рельеф ниже для данной местности, тем более устойчив должна быть такой, чтобы на топографическом плане были отображе массив горных пород. Однако дефекты структуры массива, вызванные ны все микроформы рельефа. условиями его образования, уменьшают устойчивость. Уменьшение В работе В.П.Философова рассмотрены методы: градиентно-век устойчивости сопровождается возрастанием изобарного потенциала, торные модели рельефа, порядков долин и водораздельные линии, ба т.е. давления. зисных поверхностей, остаточного рельефа, вершинных поверхностей, На объектах, которые занимают более низкий гипсометрический уро вень, наблюдается повышенное горное давле н ие по сравнению с объек локальных размывов, разностных поверхностей, монобазисных и тами, находящимися на более высоком гипсометрическом уровне. и гониогипсоит. моновершинных поверхностей, асимметрии форм рельефа, rониобазит Поэтому дешифрированные признаки выделения разломов по В табл. 7.2 приводится область применения указанных методов. рельефу варьируют в довольно широких пределах: на одних гипсо метрических уровнях выступают одни признаки (например, конт растность рельефа), на других - Таблица 7.2 другие (спрямленность элементов Наименование метода рельефа) и т. д. Область применения Блочную структуру с помощью ЭВМ можно выделить тренд методом [4, 9], который основан на разложении моделируемого явления на закономерную (тренд) и случайную составляющие. Выявляя основную тенденцию изменения высот рельефа древней поверхности выравнивания в зависимости от географических коор динат с помощью тренд-метода в сочетании со структурным дешифри рованием аэрофотоснимков и топографических карт, выделяют бло 1. Базисных поверхностей 2. Вершинных поверхностей 3. Остаточного рельефа Разностных поверхностей ются связи рельефа с движениями зем ной коры и с другими процессами раз перемещения блока и его амплитуды в горизонтальной и вертикальной высот описывается уравнением алгебраического полинома i-ro по- Изучаются динамические связи в про цессе развития рельефа. Устанавлива делах выделенных блоков изолиниями. Это позволяет определить знак В ходе вычислений на ЭВМ вершинное гипсометрическое поле вующие между морфометрическими по верхностямwрельефа и тектоническими структурами без учета их развития 4. ковые структуры, а также изображают тектонический рельеф в пре плоскостях. Изучаются статические связи, сущест вития рельефа 5. Асимметрия форм рельефа Специальные морфометрические мето ды, предназначенные для решения част ных геолого-геоморфологических задач рядка. Сущность решения заключается в последовательном сопоставле- нии вершинной поверхности с аналитической формой уравнения соот ветствующих порядков. Указанные методы используются геоморфологами для поиска тек тонических структур при нефтегазопоисковых работах, при поисках В данном случае варьируют сглаженными высотами рельефа, россыпных месторождений и других полезных ископаемых. Они с ус блоки выделяют по принципу «от общего к частному», и сеть вы пехом могут использоваться и для оценки геодинамического состояния деленных блоков постепенно сгущается. массива горных пород как дополнительные методы на любой стадии 126 127 выделения блочной структуры и, прежде всего, они будут полезны на шенное горное давление. Для рудных месторождений характерен более стадии выявления блоков высокий гипсометрический уровень. Уменьшается боковой отпор и на IV, V рангов. Применение этих методов при выделении блоков высокого ранга, т. е. при использовании топогра блюдается потеря устойчивости и разрушение горного массива. фических карт мелкого масштаба может оказаться в ряде ~лучаев не достаточно эффективным. Вопрос этот подлежит дальнеишему ис- рельефа Н Поэтому, если для данного региона установить среднюю высоту ~ , то месторождения, расположенные выше Н ~ будут уда- роопасны с большей глубины, чем месторождения, расположенные следованию. ниже Н . В р;боте [4] приводится классификация месторождений по степени Использование скрытых топографических поверхностей для выявления и уточнения блочных структур В случаях, когда рельеф земной поверхности является сильно выравненным и перепады высот в 1,0-1,5 м находятся в пределах точности построения горизонталей , а также в случаях нарушенного рельефа техногенной деятельностью, рекомендуется использовать скрытые топографические поверхности. К ним относятся поверхности коренных пород и различных напластований, в том числе планы залежей в изоrипсах, изомощностях, изоrлубинах в районе месторождений. Скрытые топографические поверхности, как и поверхность релье- их потенциальной удароопасности, в том числе и на указанном объекте. При выявлении блочной структуры по космическим снимкам при перенесении границ блоков с планов мелких масштабов на более крупные они становятся «расплывчатыми». На данном этапе аэро фотоснимки (АФС) - более информативный материал, так как на них хорошо выделяются различные элементы ландшафта, которые, как известно, удовлетворительно сопоставимы с трещинно-разрывной тектоникой коренных пород. При этом виды индикаторов рельефа следует рассматривать по различным направлениям выражаемой ими трещиноватости. При изучении трещиноватости по АФС применяют масштабы 1:18000, 1:5000 и крупнее. Если выделение подвижной трещиноватости по аэрофотоснимкам фа, представляют собой сумму неровностей перви_:ноrо и вторичноr?. на шахтном поле затруднено из-за нарушения рельефа техногенной происхождения. Первичные неровности скрытои топоrрафическо~ деятельностью, то рекомендуется использовать космические снимки, поверхности разрешающая способность которых позволяет исследовать участки - это формы рельефа , соответствующие определеннои эпохе образования залежи, а вторичные неровности - это деформации, обусловленные современными тектоническими процессами. Состав ление карт блоковых структур соответствующей скрытой топогра местности в границах выделенных блоков. фической поверхности можно вести, например, с использонанием индикационным признакам самих блоков. тренд-метода. Наблюдения, выполненные Я.М.Грицюком, Г.М.Гелашвили, Блоковые структуры выделяют по индикационным признакам разломов, ограничивающих блоки, а их О.JJ-Юродность оценивают по Индикационными признаками , отражающими проявление разло мов в рельефе , могут служить линейно вытянутые гряды (понижения), Н.Р.Урушадзе, в восьмидесятые годы в условиях Ткибули-Шаорскоrо прямолинейные уступы (неотектонические или денудационные), месторождения, позволили связать границы блоковых структур, выде линейное смещение элементов рельефа (хребтов, гряд, оврагов, долин ленные по рельефу поверхности известняков, с их границами по и т. д.), линейное расположение цепочек грязевых вулканов и т. д. гипсометрии угольного пласта и других маркирующих поверхностей, Индикационными признаками, отражающими проявление разло и этстраполировать эти границы на более глубокие горизонты. Необходимо далее отметить, что гипсометрический уровень распо мов в строении rидросети, могут служить коленообразные изгибы до лин рек, спрямленные участки рек на фоне древовидного типа речной ложения, например, месторождения относительно высоты рельефа сети, соседних участков, в значительной степени определяет его напряжен цепочных озер, линейное расположение источников подземных вод, ное состояние, а, следовательно, и степень его удароопасности [4\. линейные границы между различно увлажненными участками, линей Месторождения полезных ископаемых расположены на разных перехват речных долин, резкая смена типов меандрирования ное расположение наледей в зоне многолетней мерзлоты и т. д. высотных отметка, но в основном на ·равнинно-континенталыю гео Почвенно-ботаническими индикационными признаками разломов морфологическом уровне. Угольные месторождения за нимают более могут служить: линейное расположение полос, почв в районах без низкий гипсометрический уровень и здесь наблюдается наиболее повы- растительного покрова, линейное расположение полос растительности, 128 129 комплекса геофизических методов для выделения геологических линейная смена растительных сообществ, полосы угнетенной расти на~ушений зависи~ от конкретных физических свойств исследуемого тельности и т. д. Собственно блочными индикационными признаками, отражаю раиона: магнитном проницаемости пород, из электрической прово щими целостность блока, в каждом масштабе рассмотрения являются: димости, плотности, радиоактивности. Пространственное распределение геофизических полей позволяет общий гипсометрический уровень вершинной поверхности блока, единый тип речной сети, меандрирование, характер и глубина эро осуществлять районирование данного региона, устанавливать и подт верждать основные блоковые структуры, особенно на междуфраг зионного вреза, близкий фототон изображения блока, вызванный одинаковой влажностью и единым природно-территориальным комп закономерные системы, обусловленные планетарным полем напря ментарных участках, а также разделяемых геологическими нару шениями пликативного и дизъюнктивного характера. Комплексное изучение. зон разломов позволяет оценить длительность их развития, проследить изменение амплитуды с глубиной, уточнить морфологию жений литосферы. Каждая система разломов имеет свою ориентировку разлома. лексом, сформировавшимся на его поверхности. Процесс дешифрирования упрощается тем, что блоки слагают При выделении разломов по сейсмическим данным критериями и шаг между нарушениями. Учет этого явления в процессе дешифри являются: вертикальное смещение или крутой уступ по горизонту, непрерывн~ коррелируемому по профилю; участки флексур, резкие рования упрощает решение задачи. Сопоставление границ блоков с геологическими и геофизическими данными. Границы блоков, выделенные в результате геоморфоло изгибы осеи складок, цепочки линейно вытянутых локальных складок гического анализа, должны уточняться сопоставлением с геологи и ограничения зон однотипных складок при анализе структурных карт по опорным и условным сейсмическим горизонтам; зоны аномального затухания преломленных волн; проявление на сейсмограммах мно гочисленных дифрагированных волн, фиксируемых на нескольких горизонтах или в самой глубокой части сейсмического разреза; зоны резкого изменения характера сейсмического разреза (прекращение прослеживания или проявления новых маркирующих горизонтов, значительные различия граничных скоростей, резкое изменение ди ческими и геофизическими данными. При этом необходимо иметь в виду следующие тектонические, магматогенные и гидрогеологические признаки разломов: смещения пород по разрывным нарушениям; зоны дробления и интенсивной трещиноватости, которые пере- секают, смещают и брекчируют все комплексы пород; глинка трения, зеркала скольжения и зоны милонитизации; намических особенностей записи); большое число смен волн (более минеральные жилы, заполняющие трещины; 0,5 на 1 км профиля). родники, дающие начало ручьям и речкам; При выделении разломов по гравимагнитным данным критериями фонтанирование воды из геологоразведочных скважин; термальные воды. Геофизические методы дают возможность выяснить тектоническое строение изучаемой площади и выявить вещественный состав пород и границы их распространения. При этом выполняют аэрогеофизи ческую и наземную съемки в масштабах 1:2000, 1:25000, 1:10000, 1:5000, проводят геофизические исследования в скважинах (каротаж, межскважинное просвечивание), ртбор и испытание в лабораторных условиях проб пород (кернового материала, проб из шпуров, траншей), осуществляют эталонирование геофизических методов применительно к изучаемому региону на участках с известным геологическим строе нием (выходы нарушений на земную поверхность, зоны горных работ). Исследования проводят с помощью грави-, магнита- и электро являются: протяженные линейно вытянутые зоны повышенных гори зонтальных градиентов Лq (Л Т, Лz) или зоны максимумов W W и их величины; крутое .или резкое ограничение аномалий, «~~рц~вое» сочленение одноименных различно ориентированных аномалий рассечения аномалиями одного простирания одноименных аномалий друго~о простирания; цепочка узких линейных аномалий, смещение линеино вытянутых аномалий в плане; систематические вытяги вающиеся вдоль прямых линий изгибы аномалий· границы участков ~о специфическ~й гравиметрической характеристи~ой; границы участов с различнои взаимосвязью магнитных и гравитационных аноалии; линеино вытянутые зоны пониженного магнитного поля среди м u u положительных аномалий; степень изрезанности изолиний знак ' разведки, варио- и радиометрии. В их основе лежит выделение участ аномалий и их интенсивность. ков с резко различающимися физическими полями По электроразведочным данным критериями являются зоны по вышенных (пониженных) градиентов на картах и разрезах, линейно - зонами аномалий (гравитационных, магнитных, электрических, радиоактивных). Выбор 130 131 вытянутые зоны изменения различных типов кривых, участки разного ч ены на КС и над другими разломами . Эти природные проце ссы расхождения ветвей кривых. я вляются дополнительными индикаторами , свидетельствующими об V В некоторых случаях, когда месторождения расположены в раионах а ктивности и границах разломов , и потому могут быть использованы с достаточно густой сетью сейсмических станций, для целей ~еолого для подтверждения границ разломов, выделенных по геоморфологии. картирово,жого плана могут быть привлечены данные сеисмоло гических наблюдений. В качестве критериев для выделения границ Сопоставление границ тектонических блоков с данными микро геодинамического картирования с использованием эманационной и блоковых структур используют: электромагнитной сьемок. Эманационная съемка фиксирует изме V V уровень сейсмической активности, характеризующии сеисми н ения в покровных рыхлых отложениях содержания изотопов радона, ческий режим данного района, флуктуацию уровня во времени и а электромагнитная пространстве; свойств рыхлых отложений и искусственных покрытий (асфальта). Характеристики эманационного поля и анизотропии электромаг корреляцию периодов, соответствующих максим~льным ампли- - колебания анизотропии электромагнитных тудам на записях местных и удаленных землетрясении, не завис~щих нитных свойств зависят от уровня напряженно-деформированного от геологического строения региона в районе расположения сеисмо станций; нарушение формы проходящих волн определенного диапа~о на их спектра означает наличие в районе станции неоднородностеи с размерами, сравнимыми с длиной волн; такими неоднородностями с остояния среды не только количественно, но и качественно, что могут быть отдельные блоки и разделяющие их зоны р~зломов; V анализ тонкой пространственной структуры полеи флуктуации времени пробега телесейсмической волны; наличие аномалий времени позволяет дифференцировать геодинамические процессы во времени. Об эффективности использования микрогеодинамического карти рования для уточнения границ геодинамического районирования свидетельствует их проведение на Северо-Уральских бокситовых месторождениях [10]. Микрогеодинамическое картирование подтвердило наличие как пробега волны регионального и локального характера непосре~ственно разломов, выделенных при геодинамическом районировании, так и связано с геологическими неоднородностями строения в раионе на- тектонических нарушений. Кроме того, микрогеодинамическим карти блюдений; рованием устанавливается различный динамический характер их про анализ код-волн, применяемых для изучения строения среды в районе расположения сейсмостанций; спектральный анализ волнового поля (регулярных волн и кодволн); анализ поляризационных характеристик сейсмических волн . Сопоставление границ тектонических блоков с метеорологическими явления. Активность может быть обусловлена собственной работой блоков (их взаимодействием) в результате формирования нового поля напряжений , пассивность тектонических нарушений объясняется локальным возмущением на фоне перераспределения общего поля напряжений [10]. признаками проявления разломов . На снимках выделяются следующие аномалии облачности: 7.З. ВЫЯВЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО облачные массивы характерного рисунка, возникающие в ре зультате обтекания воздушным потоком океанских островов; ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БЛОКОВ повышенная повторяемость гроз на участках с обнаженными гранитоидами; образование обычных гроз по границам глубинных разломов. Так, главный Уральский разлом обнаружен на космическом снимке (КС) на фоне области, покрывающей Уральский хребет (исследования Л.И.Морозовой) . На КС в мощном поле облачности видна узкая темная полоса - малооблачная зона, возникающая в результате размы вания кучевообразной облачности . Резкие границы облачных полей, безоблачные зоны внутри об лачных массивов, гряды облаков в безоблачном пространстве отме- 132 Общие положения. После установления границ блоков и пост роения блоково-структурной карты · исследуемого месторождения Нео бходимо определить динамику взаимодействия тектонических блоков . Выявить динамическое взаимодействие блоков - это значит, о-первых , установить характер их подвижности (поднятие , опускание , в с кручивание); во-вторых , определить, какими условиями нагружения (сжатия, растяжения , сдвига или их комбинаций) обусловлены такие движения; в-третьих, зарегистрировать вид напряженного состояния 133 нетронутого массива горных пород в зоне разлома, к которому при урочено месторождение. По геоморфологическим данным. Динамическое взаимодействие блоков можно оценить по очертаниям речной сети: восходящие дви жения соответствуют центробежному или радиальному плану сет и ; нисходящие - центростремительному; параллельные - подвижны м с + .rr моноклиналям; увеличение овражного и овражно-балочноrо расчлене ния характерно для активных положительных морфоструктур; форми рование выстилаемого или перестилаемого аллювия в речных долинах свойственно нисходящим или переменным движениям; аномальное увеличение ширины долины соответствует участкам прогибов; глубо кий врез долин - участкам поднятий; выход источников грунтовых вод линиям нарушений активных структур. - Динамическое взаимодействие блоков можно оценить геолого геоморфологическими методами, применяемыми при изучении совре менных тектонических движений земной коры. Площадь обследования ограничивается размерами подвижного блока, в котором расположено поле шахты (любого объекта). Для этой площади составляют схему рек с их названиями; для каждой реки строят профили - горизонтальный и вертикальный. На участках с по \0. .®1 - 1 1~1 - 2 стоянным уклоном измеряют показатель эрозионно-аккумулятивной деятельности рек через 500 м: Е = q + h + l + т. 101121 - 3 Показатели q, h, l, т определяют согласно шкале в баллах [10]. По данным повторного нивелирования. Блоки земной коры пере мещаются относительно зон разломов. Современные движения земной 1+ 2,21 - коры, выявленные по данным повторного нивелирования, могут являться его количественным показателем. При этом разломы могут фиксироваться перепадами значений скорости современных движений, градиентами и изоградиентами скоростей. Это подтверждается исследованиями современных движений зем- ной коры Кузбасса и сопоставлением с его блоковой структурой [10]. Наблюдения выполнены на специальных полигонах, заложенных в Таштаголе (Горная Шорня) и Североуральске (Северо-Уральские бокситовые рудники). Северо-Уральский геодинамический полигон создан под руководством авторов для изучения характера динамического взаимо действия блоков, выявленных при геодинамическом районировании месторождения СУБРа (рис. 7.3). Полигон заложен в 1985 r. в районе шахт 14 - 14-бис и 15 - 15-бис на земной поверхности и в шахте. В 1987 r. полигон был расширен [10]. g + Ри:. \еае6! 7.3. 4 _5 -6 План Северо-Уральского геодинамического полигона на земнои поверхности: 12- номера блоков; разломы IV ранга; 345- репер на поверхности; 6- вертикальная направленность движения блоков скорости движения блоков, мм/год; границы горных работ; 135 134 Маркшейдерско-геодезические наблюдения на поверхности прово дили один раз в год в августе - сентябре, в шахте - два раза* . Высотные измерения выполняли с помощью нивелира Ni-007, угловые - теодолитом Theo-010, линейные - светодальномером СП-2 «Топаз». Нивелирование на поверхности проводили по программе II класса, в шахте - III неподвижном состоянии, скорость движения блока рость движения блока 4 относительно блока мм/год. Скорость движения блока мм/год (см. рис. 7 .3). 5, класса. равна +2,2 которая составила 5 составила +2,2, мм/ а блока 1, 1 4 - + 1, 1 Для всех структурных блоков установлены направления их наклонов и градиенты скоростей Средние квадратичные погрешности при нивелировании на земной 3 год. Южная линия реперов позволила установить вертикальную ско [10]. Особенности проявления зон сжатия, растяжения и сдвига. При ±0,97 мм/км, при угловых измерениях ±1,8 мм/км, при нивелировании в шахте- 3,6 мм/км. Наблюдения на гор. - 320 м (шахта № 15 - 15-бис) показали дви оценке динамического взаимодействия блоков необходимо знать жение блоков, разграниченных геологическими нарушениями. Ско рость относительного движения блоков изменялась от + 16,4 мм/год на юге до - 11,2 мм/год на севере. На гор. - 500 м (шахта № 14 - 14бис) движение блоков менее выражено, и величина смещений изме меньше ранга: растяжение земной коры (спрединг, раздвиг, сброс); поверхности составляют нялась от +2,7 на юге до +3,2 условия нагружения на их границах. Существует три типа взаимодействия литосферных плит и блоков сжатие (субдукция, надвиг, взброс); скольжение или сдвиг (трансформ ный разлом, сдвиг). Каждому типу границ блоков соответствует своя геодинамическая обстановка, которая характеризуется определенным глубинным строе мм/год на севере. Несмотря на выраженное в целом однонаправленное движение блоков относительно друг друга, отмечен скачкообразный характер деформирования массива горных пород после горно-тектонического нием, формированием тектонических структур, магматических, мета морфических и осадочных комплексов и полезных ископаемых. Особенности глобальных зон растяжения, сжатия и сдвига, соглас удара 26 февраля 1987 г. с энергией Е = 1,34· 10 Дж, гипоцентр которого находился в массиве подстилающих пород. При этом зафик ческих и геофизических полях признаки разломов, по которым можно сированы вертикальные деформации, свидетельствующие о нерав оценивать положение зон сжатия, растяжения или сдвига в региональ номерных наклонах южного крыла сброса Северный. Сопоставление ном масштабе, приведены в работе 8 данных нивелирования с сейсмическими показало, что вертикальное но концепции тектоники плит, а также проявляющиеся в геологи [10] и здесь не рассматриваются. Результаты тектонофизическоrо моделирования на однородных смещение массива горных пород происходило по плоскости разрыва с материалах сдвиговых структур, структур сжатия и растяжения сви азимутом простирания детельствуют о том, что их формирование происходит строго в соот составила 49 42° и углом падения 37°. Амплитуда смещения ветствии со способами приложения нагрузки и определенной ориен мм. Скорости движений реперов, установленные по результатам ниве лирования, в целом изменялись от -25,8 (репер 40) на подработанной территории до +20,6 мм/год (репер 46) в краевой части шахтного поля. Реперы 3-11, расположенные на подрабатываемой земной поверх ности, оседали до 13 мм/год на южном участке (шахта № 15 - 15-бис); реперы 36-42 (в центральной части) до 25,8 мм/год; реперы 43-45 на северном участке полигона (шахта № 14-бис) - до 4,5 мм/год. На восточной линии реперов скорости движения за все время наблюдения изменялись незначительно, в среднем составляли для блоков 1, 2, 3, 4 тировкой структур к вектору нагружен!-61. Механизм образования блочного массива горных пород одинаков на любом масштабном уровне: глобальном, региональном и локаль ном. Согласно принятой методологии, закономерность взаимодействия блоков, выявленную на одном уровне в первом приближении, можно переносить на любой другой масштаб исследований. Оценку условий нагружения блоков на основе изучения взаимо действия разломов производят, исходя из соотношения сил растя жения, сжатия, сдвига сочленяющихся разломов. Например, если одна из границ блока характеризуется сдвиговым перемещением, то другая, соответственно: +0,8; -0,2; +0,2; -0,5 мм/год. Наибольшая верти кальная скорость движения (1 мм/год) зафиксирована между блоками сопряженная с ним и находящаяся по направлению движения, будет J и 2. На западной линии реперов скорость движения в блоке 1 в среднем составила + 1,3 мм/год, блок 2 находился в относительно сдвиговый характер. Определяют, какие границы выделенного блока * В работах участвовали А.Я.Поrинец, М.Н.Мамаева, И.В.Рыбак, Ю.М . Игнатов, Е.И.Микулин 136 являться границей сжатия. Граница, параллельная блоку, будет иметь будут примерно параллельны данному разлому. В соответствии с этим оценивают характер и направление перемещения пород вдоль границы выделенного блока. 137 Участки земной норы по напряженности 7.4. КЛАССИФИКАЦИЯ УЧАСТКОВ ЗЕМНОЙ КОРЫ ПО НАПРЯЖЕННОСТИ И ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ 7.4.1. По Силовое взаимодействие в отдельных раонах земной норы Активные горизонталь Активные горизонталь Взаимодействие на ные силы отсутствуют ные силы действуют границах плит напряженности Виды напряженного состояния При решении вопросов рационального использования минераль ных и энергетических ресурсов , увеличения объемов промышленного и гидротехнического строительства, повышения безопасности труда и охраны окружающей среды существенную роль играет анал~з напря женного состояния земной коры. Описание закономерностеи распре деления напряжений в земной коре чрезвычайно сложно. Предельно возможные Переходное напрянапряжения от веса пород, женное состояние, crrop =0 разработана предварительная Классы участков напряженности ш земнои коры I класс - на всю толщину земной коры, агор = О; II - то же а s а (здесь а - горизонтальные напряжения вблизи гор О земной поверхности); состояние о!о~ш~ V по степени их напряженности (рис. 7.4) : ' Специальное предельно напряженное crrops cro с использованием метода rеодинамическоrо районирования была * классификация участков Переходное напряженное состояние, О III _ на глубину ведения горных разработок (Н = 2 + 2,5 км);v IV _ на глубину освоения нефтяных и газовых месторождении (Н = 8 + 10 км); V - на глубину бурения и использования скважин (Н = 15 + 20 км); · VI - на всю толщину земной коры (Н = Н); VII и VIII - столкновение и скольжение плит; IX - раздвиr плит; Х - поддвиr плит. Эта классификационная таблица составлена , исходя из следующих основных положений. В районах, в которых активные горизонтальные силы отсутствуют, массив горных пород находится в зонах растяжения, напряженное состояние оценивают по формулам (5.1). Для районов, где действуют активные горизонтальные силы, расчет напряжений основывается на концепции о предельно напряженно~ состоянии массива горных пород [29]. Горизонтальное сжатие земнои коры создает условия для деформирования ее части, прилегающей к земной поверхности, и установления предель~ю напряженного состоя- Рис. Классификация участков земной коры по напряженному 7. 4. состоянию ния в массиве горных пород. Это означает, что максимальную сос тавляющую напряжений в массиве а, образует активная сила, дей ствующая в горизонтальной (или близкой к ней) плоскости. Для этого случая напряжения а 1 , а2 и а3 рассчитывают по фор мулам (5.3) и (5.4). Средние значения горизонтальных напряжений а, для общего упруrопластическоrо случая могут быть определены по формуле .J ,ц qp=/Пll-,ц где h- Е, (1 - 2~) + R] Е2(1-2,ц)+Е,(1-2~)·2h ' < -О толщина земной коры на рассматриваемом участке, км; радиус Земли, км; Е, и µ1- 7 R- соответственно модуль упругости, МПа, и коэффициент Пуассона земной коры ; Е2 и пород, МПа . µ2 - то же, подстилающих Величина Е/ Е2 существенно влияет на значение напряжений а 1 • Начиная с некоторых значений отношения Е 1/ Е2' величина а 1 доста- точно велика и может превзойти предел прочности горных пород при сжатии. Поэтому использование упругого решения для сферической оболочки при Е/Е2 > /3 (где /3 - значение отношения Е/Е2 , отвечаю щего предельно напряженному состоянию массива горных пород), не является правомерным. Таким образом, величина горизонтальных * В разработке классификации участвовали В.С . Сидоров, А.С.Батугин, С.И.Петухов 138 напряжений а 1 заключена в интервале µ (1 - µ)у Н s а, s а• (где а• - критическое значение напряжений а , соответствующих предельному 1 139 распределению напряжений в горном массиве). Поскольку при а 1 > аеж имеет место разрушение сферической оболочки, то земная кора (сфе рическая оболочка) будет представлять собой набор системы блоков с наличием ослабленных зон между блоками. Обозначим hо - минимальное значение толщины земной коры, тогда горизонтальная сила р г = um•xh ер О' (7.2) где а max определяется по формуле ер При h > h0 , (7 .1) при Н, = h0 • ер (7.3) Таким образом, имея карту изопахит мощности земной коры, (7 .3) определить величину аер для рассматри ваемого участка. Если помимо карты изопахит мощности земной коры располагать сведениями относительно ее деформаций на каком-либо участке, то в этом случае средние горизонтальные напряжения могут быть вычис лены по приближенной зависимости аср где а O ас~ = соответственно касательные и нормальные напряжения на площадке среза; ап а. - = аер sin a 2 + ав cos 2 a, az45°·' тn = lиер - ав J/2 '· (7 .7) вертикальные напряжения, действующие на площадку среза в дан - сцепление на площадке . счет неровных контактов на поверхности разрушения имеют место =um••(hlh) ер О можно по формуле - Отметим, что при деформировании реализуется дискретный (толч кообразный) характер разрушения по поверхности среза (рис. 7.5). За поскольку горизонтальные силы равны, имеем а (7.6) где 'п и а" ной точке; с ah=am••h ер ер О или Средние горизонтальные напряжения, необходимые для среза, должны удовлетворять следующему условию паспорта прочности: выступы, несущие повышенные нагрузки, и вдающиеся части, пред ставляющие зоны разгрузки. Поэтому в первую очередь будет проис ходить смятие и срез выступов, причем вначале этот процесс начнется в зонах предельного состояния, прилегающих к земной поверхности, и далее будет проникать в глубь земной коры. Следует ожидать, что этот процесс будет происходить толчкообразно, т. е. в некоторых местах он будет затухать, а в других возобновляться. За счет того, что коэффициенты трения покоя и движения при срыве спаек на контактных поверхностях различны, будет иметь место - Е/е, - µ 1 е0 ) соответственно и в глубь земной коры будет напоминать в каком-то смысле «эффект движения сороконожки». Поэтапное движение фронта разрушения приведет к постепенному срезу земной коры по всей ее толщине. - земной коры; е, и е 0 - (7 .2); Е1 и скачкообразное выравнивание поля напряжений на одних участках и резкое изменение на других. Продвижение фронта разрушения вдоль модуль упругости и коэффициент Пуассона рассматриваемого участка ер определяется по формуле (7.4) µ1 - соответственно горизонтальная и вертикальная деформации рассматриваемого участка земной корь1. Формула (7.4) позволяет приближенно учитывать сближение и раздвиг плит. Оценка напряжений для VIII и Х классов представляет интерес при анализе процесса формирования и развития скольжения плит, их раздвига и зон субдукции, когда идет поглощение литосферных плит в результате их поддвигания под соседние плиты. Общий механизм этого явления рассмотрен в [18). Таким образом, из анализа приведенной на рис. 7.4 классифика ционной таблицы следует, что на участках I класса напряжения можно оценивать по формулам (5.1), на участках II класса - по формулам (5.12), (7.3), на участках Ш-IV классов - по формулам (5.3) и (5.4) . На участках VII, IX классов оценку величин главных напряжений можно производить по формулам (7.3) и (7.4) , на участках VIII и Х классов - по формуле (7 .6). Разрушение земной коры происходит от сжатия активными горизонтальными силами Р, Возникает вертикальная подъемная сила Рв = Рr tga. (7.5) Угол а изменяется в пределах от Рис. 7.5. Схема к механизму р/2 вблизи земной поверх д искретного (толчкообразного) ности с учетом постепенного обращения в нуль угла внутреннего де формирования при срыве трения р на глубине Н""' где угол а становится равным сцепления в ослабленной зоне глубины Нпл угол а также равен 140 45 °. 45°- 45 °. Ниже между плитами ------ dcp 1'1/ ----- ~р l'z/ f'1/ 141 В заключение отметим, что, несмотря на весьма приближенный ха В этой главе сделана попытка систематизировать фактический рактер предложенных зависимостей, они могут быть полезны для пред материал по разным регионам в рамках классификации участков варительной оценки степени напряженности отдельных участков зем земной коры по степени их геодинамической опасности . В качестве ной коры. В то же время эти формулы, безусловно, требуют уточнения, основного классификационного признака предлагается использовать которое в дальнейшем может идти по нескольким направлениям: мощность сейсмоактивного слоя земной коры в пределах мегаблоков совершенствование геомеханической модели напряженно-дефор мированного состояния отдельных участков земной коры; 1-2 порядка. Район исследований охватывает территорию Евразии, для которой анализ имеющейся экспериментальной картины распределения на автором составлен макет карты степени геодинамической опасности пряжений в верхних слоях земной коры для уточнения величин физи для выделенных методом геодинамического районирования мегабло ко-механических констант с учетом изменения влияния температуры; анализ глубинных сейсмических наблюдений для уточнения уп ругих характеристик отдельных участков земной коры и подстилающих ков земной коры. Всего на карте показано четыре типа участков, раз личающихся степенью геодинамической опасности. Согласно гипотезе проф. И.М.Петухова, в земной коре в слое тол щиной от земной поверхности до некоторой глубины породы находятся пород; уточнение существующих и изыскание новых критериев отнесения участков земной коры к тому или иному классу. в предельно напряженном состоянии, которое возникает в естес твенных условиях под влиянием глобальных сил сжатия. Геомехани ческие процессы, происходящие в этом слое, аналогичны процессам, 7.4.2. Классификация участков земной коры по степени геодинамической опасности· протекающим в окрестностях горных выработок [3, 4]. Эти пред ставления, а также результаты исследований предельно напряженных пород в окрестностях горных выработок [4], факты существования Рост масштабов человеческой деятельности, вмешательства в глобальных закономерностей проявления горных ударов, исследования природу, все более обостряет проблему обеспечения геодинамической автора по геодинамическому районированию недр, выполненные в безопасности как самого человека, так и природных и инженерных различных географических районах, послужили основой для пост объектов. Известно, что под опасностью понимают «состояние при роения названной выше классификации. роды или техносферы, при котором возможно возникновение явлений и процессов, способных поражать людей, наносить материальный ущерб, разрушительно действовать на окружающую человека среду» [1]. Тогда под геодинамической опасностью можно понимать опас Синтезируя теоретические представления о зонах предельно напря женных пород, можно отметить: чем выше уровень внешних напряжений, тем шире зона предельно напряженных пород; ность, связанную с rеодинамическим состоянием земной коры и тех в зоне предельного напряженного состояния массива пород (зоне ногенным внешним воздействием на недра и земную поверхность. предразрушения) происходит деформирование массива путем переме Основной геодинамической опасностью в этом случае можно назвать щения отдельных его частей (блоков) относительно друг друга такую, которая может привести к крупной аварии или катастрофе. этом внутри перемещающихся блоков может сохраняться упругое Геодинамическая опасность реализуется в такой форме, как аварии [4]. При состояние; (инциденты) и чрезвычайные ситуации в недрах и на земной по в условиях запредельного деформирования, соответствующих верхности, связанные с динамическими проявлениями горного и газового давления, техногенными землетрясениями, оползневыми « падающему» участку диаграммы «напряжение-деформация», происхо явлениями, другими геодинамическими явлениями (горные удары, внезапные выбросы, повреждения магистральных трубопроводов, линий электропередач, железнодорожного полотна, метрополитена, герметичности подземных сооружений и др.). * Батугин А . С. Классификация участков земной коры по степени rео динамической безопасности. Сб . тр . ВНИМИ, 1997. С. 206-213 . 142 дит снижение несущей способности массива и дальнейшее развитие деформаций (относительных перемещений блоков) может происходить при все более низких значениях напряжений; перемещение блоков относительно друг друга происходит толчкооб разно, поэтому одним из признаков существования в земной коре слоя предельно напряженных пород является проявление сейсмичности; сейсмическая активность массива постепенно снижается при приб лижении к зоне максимума опорного давления. 143 100 о Перечисленные особенности з он пре 200 дельно напряженного состояния массива по зволяют сделать следующие выводы. Во первых , чем выше напряжения в земной коре (чем больше мощность слоя предельно напряженных пород), тем больше раздроб 20 ленность ее верхней части, тем легче по имеющимся поверхностям скольжения (гра ницам блоков) могут возобновиться по 30 движки . Т.е. чем больше мощность слоя предельно напряженных пород, тем выше степень геодинамической опасности участка н Рис . 7. 6. Распределе ние числа землетрясений по глубине Н района N Восточного Китая земной коры. Во-вторых, чем больше мощность слоя предельно напряженных пород, тем больше максимальные глубины очагов коровых землетрясений. В подтверждение этого при- ведем рисунок с характерной гистограммой распределения гипоцен тров коровых землетрясений одного из сейсмоактивных районов Китая (рис.7.6). Далее из рис.7.6 можно видеть распределение очагов земле трясений, как и динамических явлений в зонах предельно напряжен ного состояния пород на месторождениях. Поскольку мощность земной коры Нк разная для различных регио нов и колеблется в пределах от 15-20 до 60-70 км, то слой предельно Рис. 7. 7. напряженных пород одной и той же мощности в одном случае будет Евразии: означать, что в предельно напряженном состоянии находится вся земная кора , а в другом - лишь ее часть. Поэтому для оценки мощ ности этого слоя более целесообразно использовать относительную, а порядков, 1- Районирование rеодинамической опасности мегаблоко в r~аницы литосферных плит; 3-6 - соответственно 1- IV 2- границы меrаблоков с мощностью «сейсмоактивного» слоя, может быть процентное отно Классификация участков земной коры шение мощности слоя предельно нацряженных пород Н, к мощности по степени rеодинамической опасности макет карты мощности слоя предельно натерритории Евразии с учетом геометрии ме Анализ этой карты позволяет выделить четыре коры соответственно с мощностью слоя пре Степень гео динамической опасности но напряженных о ДО деляется четыре типа участков земной коры по степени rеодина 3 ДО 4 > 50 7.3. 144 пород земной коры, Н/Нк , 2 В соответствии с представлениями об иерархичности в проявлении свойств и строения блочного массива выделяемые опасные участки (б) II 7.3 Мощность слоя предель дельно напряженных пород (сейсмоактивного слоя Н): О; 0-25; 2550; >50 %, рис. 7.7. Соответственно выделенным градациям вы мической опасности, табл. (а) и Таблица не абсолютную характеристику. Такой характеристикой, по аналогии земной коры Нк. Автором построен пряженных пород для rаблоков земной коры. типа участков земной I степеней геодинамической опасности Область распространения % Европейская равнина , Запад но - Сибирская низменность 25 50 Куз басс , Донбасс , Воркута Урал , Юг Западной Сибири, Апатиты, Дальний Восток Юг Сибири , Кавказ, районы Средней А з ии и Китая , Памир 145 % Н/М, Рис. 10 7. 8. Зависимость степени rео ди нам ической опасности участков земной коры от мощности слоя пре Таблица 7.4 Характеристика rеодинамической опасности участков земной коры дельно напряженных пород: 1 - аварийные зоны на линейных объектах; 50 2- удароопасные угольные месторождения; 25 3- удароопасные руд- ные месторождения; 4 - горно-текто- () ■ + Степень нические удары на угольных место- рождениях; 5 - горно-тектонические - - - , - - - , , ~ - - - --v._ удары на рудных месторождениях; 6 1 опасности +- 1 _ ♦техногенные землетрясения; 7 - ожив8 2 (t~з 'f•5 ·)-6 ление тектонических нарушений при 4 ведении горных работ 0~7 Формы rеодинамической опасности :s: 1-- u о о 1-u (!) :r: u о; t: ,:s: u (!) ~ :r = :r: Р. ~ (блоки) могут включать в себя менее опасные подучастки (блоки меньшего ранга). Т. е. наиболее опасные участки 4-й степени опасности могут включать в себя подучастки 3, 2 и 1-й степеней опасности; участки 3-й степени опасности могут включать в себя подучастки 2-й и 1-й степеней опасности; участки 2-й степени опасности могут вклю чать в себя подучастки 1-й степени опасности. ~ ~ u Для этого на основе карты степени rеодинамической опасности участков земной коры (см. рис. табл. 7.4 и построен рис. 7.8. 7.7) и практических данных составлена В табл. 7.4 отражено различие в прояв лении rеодинамической опасности для участков земной коры 4 1- степеней опасности (для ряда мегаблоков Евразии). Из табл. 7.4 видно, что наблюдается нарастание геодинамической опасности от участков 1-й степени опасности к участкам 4-й степени. ,:s: = :,: :s: :а (!) с:; о; <:,: 1-- (!) <:,: о = с:; ~ u о; i:::::: ~ 3 20 30 50 4 Не пересекает 2 с :,: с:; с:; CQ \О CQ <:,: CQ ~ 8. i:::::: Р. Р. о о • ,:s: ;,:: (!) 1-- м о '- :,: о :s:::,: 5 6 6-7 О о о Нет 5 200-700 150-200 150 10 40 50 Нет 5-6 Есть ,:,: о~ :r: (!) CQ i::; :s: ~ u (!) ~~ 4 22 76 Есть <:,: :s: :,: .о ~ 1-- (!) с:; 0 ~ (!) (!) = о; >< (!) '- :s: :,: :r .о @ ~ \О :х: (!) >< i::; u :,: Р. о - с:; о; '- :,: о; :х: кации ниже рассмотрено глобальное проявление геодинамической опасности по участкам. о 1 CQ (!) с:; Р. Для подтверждения работоспособности предлагаемой классифи (!) о ~ :,: t: :а :х: (!) о;~ о '- :,: .о о >< 1-- о Р. (!) :s: о ~ м :а о :r о; с:; u t: t: Р. :,: :,: о; (!) u 1-- :,: <:,: Р. (!) (!) о >< :s: :,: t::( о :х: (!) :,: (!) 1-- u :r :s: :r: :а :х: о; ~ 1 1-- u <:,: :s: >< о 1 (!) >< ~ о ~ 1 о; 6 > 6 > 10 Более наглядное представление о характере нарастания геодина мической опасности от участков 1-й степени к участкам 4-й степени опасности дает рис . 7.8, построенный на основе анализа данных в табл. 7.4. Чем более характерна та или иная форма опасности для На трассе продуктопровода Сургут-Самара, пересекающего несколько участка какой-либо степени опасности, тем более крупным условным географических районов, потенциально аварийных зон выделено: в знаком это показано. На рис. 7.8 видно, что чем больше мощность пре дельно напряженного слоя пород, тем сильнее проявляется геодинами участках 1-й степени опасности ти - 3; - 2; на участках 2-й степени опаснос на участках 3-й степени опасности - 5. ческая опасность такого участка. 1-й степени опасности нет, на участках 2-й степени опасности они уже На основе данных, представленных в табл. 7.4 и рис. 7.8 составле на общая краткая характеристика участков 1-4 степеней геодина встречаются (север Кузбасса, месторождения Норильского ГМК), то в мической опасности . Если удароопасных рудных и угольных месторождений в участках пределах участков 4-й степени их находится подавляющее боль У~астки 1-й степени геодинамической опасности характеризуются шинство. Горно-тектонические удары характерны только для участков спокоиным тектоническим режимом и располагаются преимущест ве нно в пределах платформ. Однако лишь часть платформ пред ст~влена этими участками. Для рассматриваемой территории участок 3-й и 4-й степеней опасности. От участков 1 -й степени к участкам 4-й степени геодинамической опасности увеличивается и сейсмическая опасность территорий и т. д. 146 1-и степени опасности выделяется, прежде всего, в пределах Западно147 Сибирской низменности. Работы по rеодинамическому райониро ванию трасс продуктопровода Сургут-Самара (1990 r.) и железной дороги Москва-Кемерово (1991-92 rr.) позволили привлечь внимание к тому, что аварии на линейных объектах группируются в районах активных границ блоков. Для трассы продуктопровода Сургут-Куйбы шев нами было выделено 10 опасных зон, две из которых расположены в пределах участка 1-й степени rеодинамической опасности. На участке Болоrое-Березайка железной дороги Москва-С.-Петербурr в зоне ак тивного разлома произошло около 10-ти аварий, в том числе несколь ко крушений пассажирских поездов. Ряд опасных зон выделен нами для трассы трубопровода Ямал-Белосток. В пределах участков 2-й степени rеодинамической опасности уже возможно существование крупных тектонически напряженных зон с предельно напряженным состоянием пород. В участки этой степени опасности попадают части угольных месторождений Кузбасса, Дон басса, нефтяные провинции Удмуртии, Татарии и др. Для шахт Се Участки 4-й степе наиболее тектоническ ни геодинамическои опасности охватывают v и активные области Евразии. В эти области ;~:~~ае;:~льшинство удароопасных рудных и угольных месторож- . ударов, «оживления» тектонической нарушенност многих из них генных землетрясений П дение Бе V • известны случаи горно т - ектонических и, проявление тех.но римером может служить угольное месторож- ~~~~:н::~~~:а:~~:;;;~~.:н;Е:~:::.:;:::v:о~:.~::::::::: чес:~к~~а~::~:м~!::;ибческий материал по проявлению rеодинами ваемой классифика ии ~~:;:и: ыть систематизирован в рамках рассматри- ~~1;,"ro ряда".ю~;с~~л~;.,::ч::::т~:,~::.:с~~;:~:~::0~fс" 0 военн~1х терри::;::.при предварительной оценке опасности неос- верного Кузбасса отмечены случаи горных ударов, внезапных вы бросов, описано возникновение опасных тектонически напряженных зон вдоль крупных дизъюнктивных нарушений, проявление у границ блоков зон сквозной трещиноватости, к которым приурочены мно гочисленные завалы лав. Для Чутырско-Киенrоnскоrо месторождения нефти (Удмуртия) отмечено перераспределение флюидов в залежи с отжиманием их в тектонически разгруженные зоны, в районе Ро машкинскоrо месторождения нефти происходят мелкофокусные техногенные землетрясения. В участках 3-й степени rеодинамической опасности расположены удароопасные месторождения Урала, юга Кузбасса и Горной Шории, Дальнего Востока, Кольского полуострова. К настоящему времени для Кузбасса зафиксировано более пятисот естественных землетрясений энергетического класса К > 7 и около двух тысяч горных ударов. В последнее время отмечены случаи горно-тектонических ударов. Шахт ные поля осваиваемого Ерунаковскоrо месторождения также тяготеют к зоне 3-й степени опасности, здесь уже отмечены динамические проявления горного давления при проходке наклонных стволов. Горно-тектонические удары, «оживление» тектонических нарушений в зоне ведения горных работ отмечены на шахтах и рудниках Урала. ~ По имеющимся данным , более 60 % аварий на трубопроводах про исходит в зонах активных разломов. Так, по трассе газопровода Бухара Урал все аварии по причине коррозии металла, дефекта труб, брака сварки и т. д. происходят только в зонах разломов. В районе r. Красно турьинска (Северный Урал) в зоне границы крупных блоков на протяже нии 30 км произошло более десятка аварий на шести нитках газопровода. 149 148 Достоверность расчета напряжений в массиве горных пород опре деляется выбором надежных аналитических методов и правильн ы м заданием граничных условий. Все расчетные программы основаны на реализаuии метода граничных интегральных уравнений (ГИУ) l4 1.\. Теоретическое обобщение результатов шахтных инструментальных наблюдений, выполненных в широком диапазоне rорно-rеолоrических условий отработки месторождений твердых полезных ископаемых, позволило создать методику задания граничных условий на почве очистных выработок. По этой методике, на основе изучения и н формаuии о месторождении, оперативно могут быть сформулированы граничные условия для любых rорно-rеолоrических ситуаuий нового месторождения. Разработанные аналитические методы позволяют рассчитывать поля напряжений: в блочном массиве горных пород, не тронуто м горными работами; в блочном массиве пород около выработок; в массиве пород около очистных выработок произвольной формы в плане при отработке свиты пластов; в массиве пород около очистны х выработок при отработке свиты пластов для разрезов вкрест прос тирания, а также определять характеристики проницаемости и влаrо rазоемкости пород с учетом изменения поля напряжений [17). Естественное поле напряжений в пределах разрабатываемого мес торождения является результатом взаимодействия элементов блочной Смещения блоков одного относительно другого, так же как и деформирование самих блоков, имеют решающее значение для опре деления напряженного состояния нетронутого массива и оценки ero поведения при горных разработках. Создание методов расчетов, кото рые учитывали бы блочное строение массива, представляет актуаль ную и важную задачу, затрагивающую все проблемы геомеханики. Необходимые формы ГИУ для системы блоков п ри сложн ых условиях на контактах основаны на свойствах некоторых граничны х уравнений для отдельных блоков. Граничное интегральное уравнени е для отдельного блока должно соответствовать следующим условиям. 1. Быть сформулированным в прямой форме, т. е. содержать только механические величины, а не фиктивные нагрузки или смещения. 2. Содержать величины, испытывающие разрыв на границе только системы. под знаком интеграла. 3. Тождественно удовлетворяться для точек вне блока, если ГИУ выполняется на границе. Уравнения нужного типа для задачи о системе взаимодействующих блоков с произвольными условиями на контактирующих поверхностях получены и реализованы на ПЭВМ [41). Рис. 7. 9. Изменение напряженного сост я 1 - изолинии напряжений и . 2 о ~ия пород в блочной системе: ные зоны -"' разломы, 3 - тектони чески напряжен- Практика расчетов на ЭВМ тельствует о том что при перех по разработаннои программе свидеV блоков с услож~енными rpa оде от сравнительно небольшого числа ничными результаты вычислений не едко и контактн ыми условиями целесообразным иметь н~бо ухудшаются. Поэтому представляется деленного круга условий К р специальных алгоритмов для опре. роме того в структуре учесть физические особенно , алгоритма следует И сти указанных условий мея полную картину напряже . горных пород, можно выполнить н:еоф состояния бло~ноrо массива тронутого массива в условиях т о ильтрационныи прогноз не дений. В качестве rидродин ектонически нарушенных месторож модель плановой фильтрациамическоrо аналога пород принимают ностью. При этом считается и в некотором слое с заданной мощ квазиизотропными трещинно-~;т~ продуктивный слой представлен распределением систем трещ р ~ъ1ми коллекторами с хаотическим ин. ормулы для главных компонент 151 150 нии необходимо иметь пакет программ по оценке напряженного состояния массива пород около выработок . При оценке напряженного состояния массива пород около очист ных выработок задают геометрию очистных работ, мощность пластов и междупластий, глубину ведения горных работ, а также угол наклона пластов свиты. Это позволяет учитывать при формулировании гра ничных условий ширину выработанного пространства, глубину ве дения очистных работ, угол наклона пластов свиты, вынимаемую мощность пластов и способ управления кровлей. Плоская задача. Анализ различных вариантов плоской задачи о на пряженном состоянии массива горных пород около нескольких очист ных выработок важен и полезен, так как позволяет выявить законо мерности распределения напряжений в породах и определить значение различных факторов, характеризующих условия отработки свит пластов. Породы, попавшие в зону полных сдвижений, передают свой вес на почву выработки. Однако кроме пород зоны полных сдвижений, получивших опору на почве выработки, часть своего веса передают на почву и зависшие породы. Поэтому давление пород кровли на почву, задаваемое углами <Р, несколько выше, чем то, которое определяется углами полных сдвижений. Углы давления, тесно связанные с углами полных сдвижений, зависят от прочностных свойств подрабатываемых угленосных массивов [41]. Процедуры вычислений напряженного состояния при отработке свиты пластов оформлены в двух вариантах, различающихся облас тями приложения и временем счета. Первый из них представлен программой SHVARS, основанной на числwной реализации метода последовательных приближений. Он требует меньших затрат машин ного времени, но имеет меньшую область сходимости по сравнению со вторым вариантом, реализованным в программе SUIТ2D, исполь зующей метод граничных интегральных уравнений [151. Наличие таких двух методов позволяет определить напряженное состояние массива горных пород около выработок при произвольном расположении последних. Для большого числа выработок, распо ложенных на достаточно удаленных пластах, лучше использовать программу ле SHVARS, а для сближенных пластов и при небольшом чис выработок - метод интегральных уравнений (программа SUIТ2D). Пространственная задача. Очистная выработка, проведенная в массиве пород, рассматривается как разрез в упругом пространстве, повторяющий в плане форму выработки. Верхнему и нижнему берегам разреза отвечают соответственно кровля и почва выработки. Противо положные берега разреза загружены равными по величине и противо положными по направлению усилиями. Связь между напряжениями 153 152 Расчеты же для реальных схем отработки свиты пластов д ают полную картину влияния всех основных горнотехнических факторов . На рис . 7 .11 приведена прогнозная карта напряженного состояния пласта « Коксовый» (нормальные к напластованию напряжения) в районе отработки лавы № 15. Целики, оставленные на пластах «Деся тый», «Андреевский» и «Петровский » , оказывают продавливающее действие и создают зоны повышенной концентрации напряжений на пласте «Коксовый » . Лава № 15, проведенная по пласту « Петровский», оказывает разгружающее действие на массив пород впереди фронта очистных работ лавы № от забоя с, /(уН) у < 1). 15 пласта « Коксовый » (на расстоянии 300 Таким образом, при проведении лавы № м 15 V вначале забои попадает в зону повышенного горного давления, где 1,8 концентрация напряжений колеблется от примерно через 100 степени удароопасности вдоль забоя лавы № чие I-II 1,2 до уН, а затем, м, переходит в зону разгрузки. При прогнозе 15 зафиксировано нали категорий. Это требует проведения мероприятий по предотвра щению горных ударов. В нижней части лавы № 15 (до 35-40 м от конвейерного штрека) отмечалась повышенная удароопасность. Кон центрация напряжений здесь составляла I категории 1,8 + 2 у Н, что соответствует удароопасности. При текущем прогнозе напряженного состояния по мере развития очистных или подготовительных работ оценка опасного состояния 0 [41], производит·ся по критерию уН 0 где уН - нормальные к наплас тованию напряжения, действующие на ударо- или выбросоопасный пласт до его отработки; Н0 - минимальная глубина возникновения горных ударов или выбросов на данном шахтопласте. Возможность расчета напряжении, проницаемости, а при необ ходимости и влагоемкости пород фактически для любых условий массива горных пород позволяет не только производить оценку его rеомеханическоrо состояния, Рис. 7.1 J. Прогнозная карта напряженного состояния пласта «Коксовый» но и осуществлять прогноз изменения этого состояния в результате предполагаемого техногенного воздей ствия в будущем. и разностью смещений берегов разреза дается граничными интеграль ными уравнениями специального вида. Эти уравнения реализованы в программе SUIТ3D [15]. Для проведения расчетов необходимо иметь следующую инфор- мацию: геологические данные о залегании пласта, его мощность, угол наклона, глубину отработки, прочностные свойства пласта и вмещаю щих пород, геометрию выработанного пространства и целиков. Расчет для типовых схем отработки пластов позволяет установить характер изменения напряженного состояния массива rорнvых пород в зависимости от того или иного параметра rорнотехническои ситуации. 7.6. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РАЙОНИРОВАНИЯ НЕДР Метод геодинамическоrо районирования недр стал использоваться при исследовании напряженно-деформированного состояния ударо опасных рудных месторождений с 1978 r., ниях-с и налинейныхобъектах-с 1980r., нефтяных-с 1989r. на угольных месторожде 1990 r. 155 154 С 1991 r. метод начали применять на угольных и нефтяных место рождениях Китая. С 1994 r. - при выборе площадок для АЭС. кондома В Подмосковье метод rеодинамического районирования исполь зуется в том числе и для нужд сельского хозяйства. Имеются патенты по совершенствованию с использованием резуль татов rеодинамическоrо районирования разработки нефтяных место рождений, захоронению вредных, в том числе радиоактивных отходов, осушению месторождений, выбору опасных мест при строительстве особо важных объектов. Применение метода rеодинамическоrо районирования в горном деле и других областях дает качественно новые результаты, которые ранее не были получены другими методами, что позволяет по-новому взглянуть на исследуемый объект и увидеть новые пути решения существующих проблем освоения недр и земной поверхности. Несмотря на широкое разнообразие объектов, где применялся метод, подход к изучению rеодинамического состояния массива и методике существенно не различался и в целом соответствовал при веденной выше схеме. Остановимся кратко на результатах применения метода геоди намического районирования на различных объектах. 7.6.1. Таким образом, результаты геодинамического районирования с вы делением блоков I-П рангов позволили обосновать причины существо На рудных месторожденинх вания на руднике высоких напряжений в массиве горных пород и свя Для железорудного Таштагольского месторождения в результате геодинамического районирования установлено, что месторождение це ликом расположено в крупной тектонически напряженной зоне, сфор мированной в промежутке между двумя фрагментами подвижного раз лома, которому было дано название Северо-Таштагольский (рис. зать это с проявлениями горных ударов. - Более детальные исследования позволили установить, что четы е ст~ола рудника попадают в зону выявленного при геодинамическlм . раионировании разлома Холодный III rанга (рис. 7.13). Влиянием 7.12). Разлом Северо-Таштагольский хорошо фиксируется в рельефе земной поверхности, причем, если его фрагменты геологически выражены по обе стороны от месторождения, то на самом месторождении сквозное тектоническое нарушение вдоль разлома отсутствует. Можно полагать, что через месторождение, сложенное более прочными породами, разлом не «пророс», но этот процесс идет, и ведение горных работ ускоряет его. В частности, именно на одном из концов «прорастающего» фрагмента зарегистрировано 6-балльное землетрясение (пос. Кочура), вызвавшее аварийную остановку рабо ты рудника. На месторождении отмечались горно-тектонические уда ры с подвижками пород по сместителям нарушений. Так, в 1982 г. в результате горно-тектонического удара произошло смещение пород с разрывом рельсов по сместителю, ориентированному параллельно Северо-Таштагольскому разлому. Рис. 7.13. Схема расположения стволов относительно зоны разлома и проявления их деформаций: 1 - деформация в стволе (А _ трещи ны; Б - стреляние пород); 2- рекомен дуемая ВостНИГРИ форма ствола; 3 _ рассланцевание породы; 4 _ ориенти ровка напряжений; 5 _ зона подвиж ного разлома; 1-JV - стволы соответ ственно «Северный», «Новокапиталь ный», «Западный» и «Южный» 156 157 На Северо-Уральском месторождении бокситов работы по rеоди намическому районированию проводились с конца 70-х годов. Для месторождения было установлено, что поля наиболее ударооnасных шахт № 14 и 15 расположены не в одном, а в нескольких блоках IV ранга, границы которых непосредственно пересечены горными вы работками (рис. 7 .14). На месторождении был выполнен ряд сопоста вительных работ по изучению трещиноватости и нарушенности массива, характера площадного проявления сейсмичности, заложен rеодинами ческий полигон. Эти работы позволили установить следующее. Часть границ блоков представлена чередованием сместителей крупных нарушений, вскрытых горными выработками. Прежде всего это граница блоков (разлом) /-/, которая на поле шахты № 15 пред 30 м (в западном крыле Восточного сброса), а на поле шахты № 14, в восточном крыле Восточного сброса, - серией сместителей нарушений с амплитудой до 60 м. На поле шахты № 15 указанное нарушение долгое время оста ставлена сместителем нарушения с амплитудой до валось наиболее сейсмически активным, по нему неоднократно проис рис. 7. 14. е разломы·, 3-4 _ геологические ходили внезапные подвижки при горно-тектонических ударах. Как показали измерения ориентировки штрихов скольжения на сместителе этого нарушения, в направлениях смещений при горных ударах наблю дается унаследованность от предыдущих тектонических смещений. Это указывает на то, что именно современные тектонические напряжения почему эти стволы периодическ и заставляют «работать» это нарушение, когда горными работами созда ются для этого благоприятные условия. Граница блоков (разлом V-V) " Плотность очагов сейсмической активности в раионе № 141 -и изолинии 15. плотности; 2- подвижны шахт нарушения в шахте разлома Холодный"было об:я~:е::•и подвергаются постоянному де находятся в авариином состо ельного состояния имеющи хся формированию. Из-за неудовлетворит ен ие о строительстве ново го стволон н а руднике было принято решческому районированию nоб ты по геодинами ствола. Однако ра о " ствол расположен в зоне влияния более крупного или разлом Крутой Лог также выражены в массиве крупным тектони ческим н аруше нием, обнаруженном геологоразведочными работами. При подходе к разлому /-/ сместитель ~,азлома V-V не выражен как единая поверхность смещения, но он имеет продолжение в сенерном крыле I-1 как нарушение с амплитудой 15 м. Это нарушение также казали, что и новыи основании чего были даны рекоСеверо-Таштаrольского ра1лома, на оительство в другое место. Тем отли ч алось в периоды ведения горных работ высокой сейсмической активностью и nоднижками при горно-тектонических ударах. Еще две не менее, работы по строительству подтверждени я t<ак сквозные сместители нарушений или серии таких мендации о переносе nлошадки _под ~:~ли начаты на ранее выбранном атно отмечались различ ные месте, и уже при строительстве мн:;~tк~ др) что подтвердило нали., явления (горные удары, прорывы в чие выделенного ранее разлома. rеодинамическому райониро- Таким образом, исследованвиз~л:~ ть на причину повышенной ванию позволили по-новому . у низм горно-тектонических , . на условия и меха напряженности массива, ормиронания ударон, причины де ф кап итальных ныработок. Дальеодинамическом полигоне нейшие исследования на организова~ном:енные зоны, уточнить ряд позволили выявить тектонически наnря теоретических и методических нопросов . 158 границы блоков ll-ll и lll-JIJ не находят прямого тектонического сместителей. Однако присутствие этих границ в массиве находит отражение в характере более мелкой нарушенности и трещиноватости. Ориентировка основных систем трещин изменяется при переходе через границы блоков. Это зафиксировано при съемке трещин на двух горизонтах (-275; -320) по полевым штрекам при расположении точек замеров через каждый метр. Ориентировка осей напряжений, полученных тектонофизическими Методами при анализе нескольких сотен мелких нарушений, изме няется при переходе из блока в блок (рис. 7 .15). 159 В работе А.С.Батуrина показа но , что отношение т11 ! т дл я npoизвольно ориентированного сместителя не зависит от абсолютных кр величин главных напряжений , а определяется лишь их соотноше- ниями СУтпах / СУm111 . и flCY = (СУ1 - СУ 1 )/( СУ3 - СУ 1 ) - 1. Расчеты для теоретических стереограмм показывают, что при СУПli.l X / СУ111111 . = 2,5 + 3 отношение т11 /, Кр > 1 для большого диапазона . ориентировок сместителей. Это означает, что практически для нарушения любой ориентировки создаются условия для развития смеще ний крыльев нарушения по сместителю. Пока существует дефицит сво бодного пространства и крыльям нарушения некуда смещаться, про цесс деформи рования массива современными тектоническими силами локализуется вдоль только некоторых наиболее благоприятно распо 1· ••lt (•~\21---131--\11\---\5\--\б Рис. 7.15. ложенных направлений (активных разломов границ блоков). При ведении горных работ с образованием выработанных пространств воз Реконструкция направлений действия главных напряжений на СУБРе: 1 - проекции с;,, и можность для смещений в их направлении возникает и у других нару шений, которые ранее не проявляли активности. Таким образом по геологическим данным; 2, 3 и 4 - направле- CJ возникает эффект техногенной сейсмичности на месторождениях с не х напряжений определенные соответственно ния максимальных сжимающи с~ическому методу· 5 - тектонипо методам разгрузки, гидроразрыва и сеи ' CJ2 .J равнокомnонентным полем напряжений. Для Северо-Уральского бок v ситового месторождения активными становятся практически все нару ческие нарушения; 6 - активные разломы ([, ll и др .) шения, для которых выполняется условие т11 ! т Геометрия максимумов сейсмической активности увязывается с мич~~ки а:тивными становятся множество различно ори~нтирова;~;~: не ~ . вязывающихся с положением границ локов. ~~~;;:;::~ледо~ания на других месторождениях позволили объяснить механизм перехода нару > 2. нии позволили проследить изменение rеомеханическоrо состояния rеомет~~:й :~~:~: для месторождения было отмечено, что сейс V кр Исследования по rеодинамическому районированию на месторожде- \ \ \/ \ у" ) j '\ .А. ·r шений в активное состояние. Действительно, подвижка по нарушению может произойти только . -ят тогда, когда касательные напряжения.в плоскости сместителя nревыс силу трения покоя между крыльями : , L\ :2:. т Кр = СУ k, 11 е' - касательные напряжения на сместителе с Н?,рмалью п; '•r - кри~ :Нче~кие напряжения , при которых может nроизоити подвижка n~ н: r • СУ - но мальные напряжения в плоскости сместителя , :t/' -~--У:. ,.,...; .. ,,.,,,,,.,, ' \ ' - ~~~:н::~ен\ тре:ия покоя (для плоских, отполированных до зерка: с\ ф ~ скольжения сместителеи коэффициент трения k оценивается как tg lO tgl2 ° (И . А.Воронин и др.)). • Рис. 7. /6. Блочная структура месторождения апатитов (по В.М . Тря пицину): v Овенка активности тектонических нарушении. - СПб · вними 1995. .. , 1 - апатитовые руд ы ; 2, 3, 4 - разломы соответственно II, III , IV рангов 161 160 массива от блока к блоку, выделить наиболее опасные участки в пределах тектонически напряженных зон IV ранга, разработать часть теорети ческих и методических положений rеодинамическоrо районирования. Помимо Таштаrольскоrо и Северо-Уральского удароопасных мес торождений метод rеодинамическоrо районирования применялся на рудных месторождениях Норильского ГМК, Южно-Уральском бокси товом руднике, Кольском полуострове (рис. 7 .16). На всех перечисленных объектах получены новые сведения о структурном строении недр, особенностях rеомеханическоrо состояния массива, причинах деформирования горно-капитальных выработок и возникновения горно-тектонических ударов. 7.6.2. На угольных месторождениях На угольных месторождениях метод rеодинамическоrо райониро вания применялся во всех крупных бассейнах страны. Рассмотрим результаты его использования для проектируемой шахты «Анжерская Южная» (Кузбасс), длительно эксплуатируемой шахты им. Калинина (Донбасс) и одном из месторождений в Китае. Шахта «Анжерская-Южная» в Кузбассе входит в объединение «Северокузбассуrоль». Геологоразведочными работами на шахтном поле выявлены согласные с простиранием угольной толщи взбросы. Однако при rеодинамическом районировании обнаружена и другая - поперечная система границ блоков, имеющих по геоморфологическим признакам сдвиговую составляющую (рис. 7 .17). На основе выяв ленной блочной структуры и с учетом плана развития горных работ на 2, 5 и 10-летний периоды были получены данные, необходимые для математического моделирования техногенного поля напряжений. Кроме того, анализ детальной тектоники соседних шахтных полей позволил дать следующую интерпретацию выделенным поперечным границам блоков. Действительно, на шахте «Анжерская», располо женной к северу от поля «Анжерской-Южной», при ведении горных работ встречено пять крупных поперечных нарушений сдвигового типа с амплитудой до 20 м, не зафиксированных геологической разведкой. Все эти нарушения отнесены к опасным по горным ударам. На шахте «Березовская», расположенной к югу от исследуемого района, геологом Р.Г.Коломиным описаны внезапно встречающиеся зоны сквозной поперечной трещиноватости, к которым на шахте приурочены многочисленные завалы лав. Следовательно, выделяемые на поле шахты «Анжерская-Южная» поперечные границы блоков, по Рис. 7.17. Схема блочного строен разломами II-V рангов: ия шахты «Анжерская-Южная» с !, 2, 3 и 4 - разломы соответственно шахтного поля; 6 _ номер блока. II Ш IV и V ранг . 5 ' ' ов, - границы ванJ:ким образом, применение метода rеодинамическоrо райониро ст для поля шахты «Анжерская-Южная» позволило дополнить из~~:турную схему м~сторождения и составить прогнозный план в ниях напряжении на планируемом к отработке горизонте В ДСонбассе проводились работы на шахтах им. Калинина и и· зеты « оциалистич дований выяснил ескии V Д б м. га он асс». В результате проведения иссле- ницами блоков) ~r~ь, I~ои шJхтные поля пересечены разломами (rра границ блоков видимому, выражены в массиве в виде поперечных нарушений типа района (Ф сдвигов либо зонами сквозной поперечной трещиноватости. в прост ' v рангов. Геологическая интерпретация показала следующее к · ак известно, крупные надвиги ранцузскии, Калининский Мушкетовскииv и др) ' . изогнуты ранстве и представляют собой чередование фрагментов с 162 163 разными азимутами и углами падения. Сопоставление геологической схемы со схемой блоков показывает, что многие из крупных надвигов не выражены в рельефе как активные разломы, но, те их фрагменты, которые имеют углы падения более чем 50°, являются частями границ блоков 111 - У рангов, т. е. активизированы современным полем на пряжений. Геометризация плотности очагов внезапных выбросов, проис шедших на шахте, показала, что максимумы плотности приурочены к одному из разломов III ранга, а также к узлам сопряжений границ блоков и пересечений их с геологическими нарушениями. Таким образом, проведенные работы показали, что блочная структура, выяв ляемая методом геодинамического районирования, оказывает реаль ное влияние на условия ведения горных работ. Угольное месторождение Бейпяо в провинции Ляонин является одним из наиболее удара-, выбросоопасных на северо-востоке Китая. В течение ряда лет на месторождении происходят крупные динами ческие явления, сопровождаемые подвижками по тектоническим нарушениям, а также сотни более мелких явлений с выбросом угля, породы и газа. Начальная глубина проявлений внезапных выбросов м. Наиболее сейсмически активным является район сопряжения 130 поля шахты «Тай-ди» с полем шахты «Гуаншань» (рис. В результате проведения в 1991-1993 rr. работ по геодинамическому му разлому I ранга. Этот разлом, названный впоследствии разлом Бей пяо, (на рисунке заштрихован), выделен А.С.Батугиным впервые и на китайских картах ранее не был показан. Его существование подтверж дено сейсмологическими данными и полевыми работами. Непосред ственно в районе месторождения разлом Бейпяо кулисообразно сме щен так, что возникающая перемычка между смешанными фрагмента ми представляет собой тектонически напряженную зону 1 ранга. По-видимому, тектонически напряженная зона захватывает два блока ранга (210 и 212), поскольку именно в их пределах происходит ос новная масса динамических явлений. В современном поле напряже ний, параметры которого оценены методами тектонофизики, разлом Бейпяо и параллельные ему границы блоков работают как левые сдви ги, а сопряженные с ними разломы ССВ ориентировки - закономерностями, установленными мическом районировании По жений по нарушениям СЗ. д~я границ блоков при rеодина- д воздеиствием современнь,х напря техноrенные подвижки а поориентировки происходят левосдвиrовые сдвиговые. Причем ак;ивны:а~у~~:иям ССВ ориентировки - право вождаемых горно-тектоническим~ м при таких подвижках, сопро куда двигаться, т. е. в сторону выр~~~~ми, является то, которому есть части нарушений указанной ориенти анного пространства. у другой внезапных выбросов на их окончания~~вки наблюдаются рои очагов Применение метода rеодинамиче месторождении позволило по-новом v ского раионирования на этом шахтных полей установить п у взглянуть на структурную схему мических явле~ииv со ричину и определить механизм дина, здать основу для ра б рекомендаций по безопасному зра отки практических ведению горных работ. как правые. В геологической структуре шахтного поля наиболее отчетливо фиксируются две системы тектонических нарушений: СЗ простирания с правосдвиrовой составляющей (по характеру смещения пластов) и ССВ ориентировки с левосдвиговой составляющей. Однако под воздей ствием современного поля напряжений по геологическим нарушениям стали развиваться реверсивные подвижки в строгом соответствии с 164 иве горных пород шахты «Тай-ди» (Китай) 7.18). районированию установлено, что месторождение приурочено к крупно IV Рис. 7.18. Распределение исхо ний в долях rH в блочном масс дного поля горизонтальных напряже- 7.6.З. На нефтяных месторождениях жен~~;0 ~~~~~~~::~:~::~;~::с:ов:о:аи:сследовалось влияние напря- рации флюидов. В настоящее в емя т ловия размещения и фильт месторождений Удмуртии Т р акие работы выполнены для ряда , атарии , Китая. 165 величин , а в тектонически разгруженных - увеличение. Для реальных условий Чутырско-Киенгопского месторождения по данным много летней эксплуатации были составлены карты в изолиниях средне суточных дебитов и суммарного дебита скважин . Максимумы дебитов скважин (рис. 7.19) тяготеют к тектонически разгруженным зонам, где проницаемость пород наибольшая. В тектонически напряженных зонах, наоборот, наблюдается уменьшение суммарных дебитов сква жин из-за снижения в них проницаемости пород . В результате выполненных работ по геодинамическому райониро ванию месторождения Та-ань (Китай) установлены границы не только крупных блоков, но и мелких, динамическое взаимодействие которых во многом определяет состояние массива пород. При этом определены формирующиеся разломы, выделение которых другими методами затруднено (рис. 7.20). ш, Ри с. 7. 19. Прогнозная карта проницаемо сти горных пород в районе . фтяноrо месторождения . Чутырско-Киенrопскоrо не J - изолинии прон ицаемости контур нефтянои зал v в условных ед иницах· пунктиром показан ежи Рассмотрим результать 1 применения м , етода rеодинамическоrо пеком месторождении в Удмуртии. районирования на Чутырско-Кие:г~лена блочная структура, оценено Для месторождения была в д сть продуктивного пласта, произе проницаемо напряженное состояни , аботы. Исследования показывают, что ведены сопоставительные р II ранга имеющему сдвиговую [SJ1 1§)2 Е:З3 ШШ11 Е35 IIПШь- месторождение приурочено к раз~~;~нга мес;орождение пересекают составляющую . Кроме разлома Рис. 7. 20. Блочная структура III ранга района месторождения Та-ань границы блоков III ранга. МИ модельные расчеты показали , что в (К итай) : блочном массиве п од влиянием нера 4- Выполненные во ВНИ жений происходят законо емкости 166 пород .· внокомпонентноrо поля напря- мерные изменени в тектонически напряж я проницаемости и вла го- енных зонах уменьшение их J и 2 - разломы соответственно П и III рангов ; 3 - широтный разлом ; зона наибольшей проницаемости ; 5 и 6 - поднимающиеся и опускаю щиеся блоки соответственно 167 Таким образом, применение метода rеодинамического райониро вания на месторождениях углеводородов (нефти и газа) позволяет осу ществлять прогноз наиболее проницаемых, влаго- и rазоемких зон, планировать с учетом напряженного состояния блочного массива поря док отработки месторождения, места заложения скважин, более обос нованно применять меры по повышению коэффициента нефтеотдачи. 7.6.4. На линейных объектах На линейных объектах выявлялась связь опасных. по аварийности участков с блочным строением массива. Выполненный во ВНИМИ анализ аварий на железных дорогах, нефте- и газопроводах показывает, что аварийные участки расположены по площади неравномерно, наблюдается группирование аварий в определенных местах. Более 60 % аварий происходит в зонах активных разломов. В 1990 г. в результате rеодинамического районирования территории трассы продуктопровода Сургут-Куйбышев выделено десять опасных 7. 21. Схема наложения границ блоков на карту изолиний мощ ности нефтяной залежи: 3 - скважины; 4 J и 2 - разломы соответственно III и IV рангов; Рис . изолинии мощности пласта Место ождение Та-ань расположено в зоне влияния разлома II ранга сев:ро-западного простирания CЗ(ll). При этом выявленные четыре разлома III ранга (J-1, 2-2, 3-3, 4-4) соответствуют ориентеи~ ин разлом (8-8) является продолжени ровке этого разлома, а од CB(Il) Наиболее разлома II ранга северо - восточного простирания . нап яженный участок месторождения приходится на зону стыковки %омов II ранга СЗ и СВ направлений СЗ(П) и CB(Il). По мере де ~=~изации района геодинамическоrо районирования участки повышен ных напряжений в районе месторождения характеризуются более де- тальной стохастической мозаикой блоков. На основании результатов районирования проведено предвари тельное сопоставление выявленных разломов с геологоразведочными анными При этом ориентировка сейсмоструктур в большинстве участков. В 1991-1992 rг. проводились работы по геодинамическому райони рованию участков трассы железной дороги Санкт-Петербург-Москва Кемерово. Как показали исследования, вдоль всей указанной трассы наблюдается около 20 опасных участков, один из которых распо лагается и вблизи ст. Бологое, где произошла авария пассажирского поезда. По заданию РАО «Газпром» ведутся работы по геодинами ческому районированию территории вдоль трассы проектируемого газопровода Ямал-Западная Европа. 7.6.5. При анализе условий и механизма проявлений землетрясений Работы по геодинамическому районированию территории Кавказа и непосредственно района проявления Спитакского землетрясения проводились с конца декабря Карта блоков l 1988 г. до середины февраля 1989 г. 7 .22) охватывает территорию от Кас ранга (рис. ~лучаев с~впадает с ориентировкой выявленных разломов. Кроме того, пийского моря на востоке до Черноморского побережья на западе и от намечается совпадение куполов. Среди разделяющих блоки разломов устанавливаются разломы кавказ Сопоставление нефтеносности пластов по данным_, геологораз- ведочных скважин с результатами rеодинамическоrо раионирования иллюстрируется рис. 7 .21. Анализ ситуации показывает, что выявленные посредством rеоди- намического районирования, разломы контролируют запасы нефти как на региональном (III ранг) , так и на локальном (IV ранг) уровнях. озера Резайе на юге до северного склона Большого Кавказа на севере. ского и транскавказского направлений. При этом Большой Кавказ поделен на более мелкие блоки, вытянутые вдоль основного хребта. На карте блоков I ранга видно, что землетрясение произошло в пределах блока А в результате действия горизонтального сжатия в близком к меридиональному направлении . 169 168 2- 4 мм / год и более (Ереван до севернее Еревана , - более 4 2 мм / год, Ленинакан , расположенный мм / год) . Если предположить , что в этом случае имеет место субдукция , то Тбил иси наход ится ниже границы субдукции и расположен на породах, срезаемых с подползающей плиты Малого Кавказ а. Об этом свидетельствует, в частности, поднятие города со скоростью до 2 мм / год. Если верно то , что совершается поддвигание Малого Кавказа под Большой, то возможно и существование каскада разрушений типа взбрососдвига. В этом случае и при Спитакском землетрясении разру шение блока А (см. рис. 7.20) можно отнести та кже к виду, изобра женному на рис. 4.8. Предположение о зоне субдукции в районе Кавказа подтверждает представления В.Г.Трифонова, А.С.Караханяна и А.И . Кожурина о том, что разрыв на земной поверхности при Спитакском землетрясении протяженностью 1- r: Лl!NШ(QJ(QH 2- г. спита.к 3 - г. киро6акан Рис. 37 км находится в зоне влияния Памбак-Севанского разлома северо-западного направления , расположенного севернее Спитака, и является одним из результатов проявления общей тен денции в последние десятки тысяч лет по всем крупным раз ломам 7.22. Структурная карта блоков I ранга территории Кавказа. Простирание линии разрушения земной коры совпадает с нап равлением развивающегося разлома, проходящего севернее озера Севан (рис. 7 .23) Под воздействием меридионального сжатия в блоке А произошло разрушение по линии MN (см. рис . 7.22) и поднятие северного борта с максимальной амплитудой у земной поверхности до 2 м (такvова же предположительно величина перемещения и в горизонтальнои плос кости) . Длина зафиксированной земной поверхности трещины около м . Схема проявления землетрясения, по-видимому, соответствует 30 схеме, приведенной на рис . 4.8. Спитакское землетрясение может рассматриваться как начальная стадия образования очередной зоны субдукции или как одно из разру шений на базе которых возникает затем генеральное разрушение. Бо~ьшой Кавказ выполняет роль подпорной стенки по отношению 1000 м ниже. Не исключено, к Малому Кавказу, расположенному на что здесь имеет место зона субдукции: Малый Кавказ поддвиrается под Большой Кавказ . Во-первых , раздробленность территории Большого Кавказа на блоки , в три - четыре раза меньшие, чем блоки Малого Кавказа , вызвана, по-видимому, разрушающим действием поддвигаю щихся блоков Малого Кавказа . Во-вторых, зафиксировано подн~тие Большого Кавказа со скоростью 2-12 мм / год, особенно в раионе Главного хребта , и опуска ни е территории Малого Кавказа со скоростью 170 в, l t600jZ E3J f.-·.-.-:.:jl,. -s Рис. 7.23. Карта rеодинамического районирования территории Спи такского землетрясения: 1 - разломы II ранга ; 2 - высота блока; 3 - тектонически напряженная зона н а продолжении разлома, проход ящего севернее озера Севан; 4 и 5- со ответст в енно приподнятые и опущенные бл оки 171 Закавказья и Ближнего Востока: северная и южная части Кавказа сбли жаются и территория укорачивается в меридио~альном направле~ии. По мнению авторов, такое поведение земнои коры в этом раионе достаточно убедительно подтверждает наличие зоны субдукции . 7.6.6. При экспертизе выбора места заложения АЗС По заданию Госатомнадзора в 1994 r. И.М.Батугино~ было вы~ол нено геодинамическое районирование территории в раионе однои из проектируемых АЭС с целью оценки геодинамической устойчивости, выбранных для строительства площадок . Как следует из рис. 7 .24, пло щадка Южная находится непосредственно в зоне разлома II ранга, и поэтому не рекомендуется для размещения АЭС. Размещать А~С еле: дует на площадке Северной, так как она располагается в устоиvчивои зоне. в данном случае подтвердилось заключение изыскательскои орга низации, выполнявшей работы в течение нескольких лет. На проведе ние геодинамическоrо районирования потребовалось лишь 4,5 мес. Рис. 7. 25. Схема блоково-структурных форм Ткибули-Шаорского месторождения: 1 - карниз Накериальского хрета; 2 - э пицентральная область мелкофо = 5 км) ; 3 - область проявления горных ударов ; 4 - угольный пласт; 5 - фрагменты кольцево го подвижного разлома кусных землетрясений (Н аэрофотоснимках и даже сливаются, образуя сплошную линию раз лома, при большом уменьшении масштаба. Участок разлома, распо ложенный между этими индикаторами, может не отличаться видимой нарушенностью шахтного поля, если оно окажется в этом районе. Раз ло м здесь только формируется . Однако зона разлома на этом участке Рис. 7. 24. площадки Схема выбора для строитель ства АЭС: / и 2- разломы стволы оказались в зоне подвижного разлома типа сброса-сдвига (см. II и III ран гов соответственно 7.6.7. При выделении тектонически напряженных зон Положение разломов на местности фиксируется не сплошной линией, а отдельными ее фрагментами (например, сопряженными участками рельефа , уступами), которые находятся на значительном расстоянии друг от друга, но намного сближаются на топокартах и 172 будет наиболее неблагоприятной с точки зрения ведения горных работ. Примером может служить рудник «Таштагол», где все действующие рис. 7 .12), в результате чего они постоянно подвергаются деформации. При районировании Таштагольскоrо месторождения оказалось, что Разрабатываемая рудная залежь примыкает на севере к Северо-Таш тагольскому разлому, зону которого наследуют спрямленные элементы р . Кондома. На этом отрезке такой разлом не выявлен (см. рис. 7.12, пун ктирная линия) , геологоразведочным бурением и картированием вьr работок не зафиксирован. Данный участок разлома представляет собо й ослабленную зону, наличие которой подтверждено мелкой туw иноватостью в рельефе и на глубине . 173 ложены между фрагментами формирующегося кольцевого разлома. Эпицентральная область мелкофокусных землетрясений , выделенная на (рис. 7.25) штриховкой, как бы формирует недостающее звено кольцевого разлома, наследуя его ориентировку. Область горно-текто нических ударов приурочена также к участкам рюрушающегося мас с ива вдоль диагональных нарушений. В районе месторождения Красная Шапочка (СУБР) наиболее о пасными являются поля шахт 14- 14 и 15-15. Районирование этого месторождения на тектонически подвижные блоки показало , что поля этих шахт пересекают четыре субширотных разлома IV ранга: 1-1, 12, 3-3, 3-4, 5-5 (рис. 7 .26) , из которых разломы 3- 4 и 3-3 на этих учас т ках являются полностью «прорастающими», а разломы 1-2 и 1-1 - частично. Анализ удароопасной ситуации по данным сейсмостанции «Североуральск» показал, что очаги этих явлений группируются или непосредственно у зон разломов или в зоне их влияния. Горные работы как бы активизируют естественное разрушение массива. Исследование причин дискретного проявления разломов в рельефе ~/ заставило обратиться к механизму возникновения тектонически напря женных зон, к поиску объяснения этого явления и обобщению имею ~2 щихся исследований. Результаты обобщения исследований работ [±]з М . В.Гзовского, С.А.Федотова, А.А.Никонова, Д.Райса, В.А.Букрин 1~\4 ского, А._В.Михайловой и других исследователей по фрагментарному механизму образования разломов, выявляемых по геологическим ~s признакам, позволили установить, что этот механизм присущ и разло мам, выявляемым по рельефу земной поверхности [41. Это легло в ~б основу разработанного авторами мета а геодинамическоrо райони \ •N14\ 7 L...JL-..L..---=:...;__~---:-- IY-Y \B pu c 7 26 Схема rеодинамическоrо районирования СУБРа : · · 1 - ·сформировавшиеся разломы III и IV рангов,. 2 - формирующиеся. V рангов· 3 ориентировка напряжений по методу разгрузки, и I разломы 111 ' ., . . 5 _ участки 4 - роза трещиноватости, выявленнои по аэрофо1оснимкам , . 6 концентрации напрнжений по регистрации сейсмических импульсов, концентрация горных ударов ; - 7 - номера шахт; 8 - номера разломов Таким образом район разрабатываемый рудной залежи прилегает к азлому rлубинн~rо заложения , который на данно~ участке только ф~рмируется , создавая зону повышенных напряжен~и в массиве. Это, рования н едр и земной поверхности*. Таким образом , тектонически напряженные зоны возникают в блочном массиве горных пород как в процессе образования разломов, тектонических нарушений (в этом случае они приурочены к местам не проявившихся участков разломов, нарушений), так и при дефор мировании блочного массива посредством перемещения по неровным поверхностям, разделяющим блоки (см. рис. 3.4), в том числе при де формировании блочного массива под влиянием горных работ. Позднее было установлено, что тектонически напряженные зоны могут быть обусловлены наличием в массиве горных пород жестких включений, н апример, линз песчаника. При этом размеры таких зон могут изме няться от многих километров до десятков метров. видимо , является одной из причин повышеннои удароопасности Таштаrольскоrо месторождения. Аналогичная ситуация наблюдается на Ткибули-Шаорском уголь ном месторождении. Зде сь наиболее удароопасные шахты распо- 174 * Профилактика горных ударов с учетом гео;щнамики месторождений . Методические указания . - Л ., ВНИМИ, 1980, 16 с ./ Петухов И.М., Бату rи н а И . М. и др. 175 При движении очистного забоя в сторону уступной части имеет место более сильное наложение тектонически напряженной зоны от влияния включения и зоны опорного давления впереди очистного забоя . Наблюдения показывают, что проявление тектонически напря женных зон часто связано с изменением направления простирания (или падения) сместителя нарушения. Причем, чем на больший угол отклоняется плоскость сместителя, тем сильнее влияние тектонических напряжений. Например, крупное тектоническое нарушение Ж-Л I в районе лавы № 513 на шахте «Воркутинская » резко изменило направление прости рания. Оно огибает линзу песчаника с максимальной мощностью 20 м и повторяет далее по конфигурации изопахиту 14 м. В направлении первоначального простирания сместителя прослеживается серия мало амплитудных нарушений, большинство которых фиксируется по разрыву кровли. Зона повышенной напряженности установлена на протяжении 500 м поддвиrания лавы. Непосредственно в зоне продол жения нарушения произошел горный удар. Изменение напряженного состояния угольных пластов вдоль смес тителей связано с перераспределением поля напряжений при обра зовании и развитии разрыва. Об этом свидетельствует и тот факт, что наличие тектонически напряженных зон фиксируется при проведении подготовительных выработок вне зон влияния очистных работ. Напря женное состояние массива неоднородно даже в пределах одного нару шения и может значительно изменяться по простиранию и глубине. При этом сохраняется приуроченность признаков опасных и неопасных тектонических нарушений к напряженным и разгруженным участкам одного и того же разрыва. 7.6.8. Выполнение геодинамического районирования недр на территории крупных регионов земной коры Как отмечалось выше, в основе rеодинамическоrо районирования заложен принцип «от общего к частному» . В идеале это означает, что работы по rеодинамическому районированию должны выполняться, начиная с составления карты-схемы всей территории земной коры, затем - карт литосферных плит, карт меrаблоков и только потом осуществлять rеодинамическое районирование с выделением блоков I, II и других рангов . Учитывая, что контуры литосферных плит к настоящему времени в большинстве случаев установлены, геодинамическое районирование на первом этапе можно считать законченным. Поэтому главной задачей здесь является определение силового взаимодействия плит (см . п. 4.4). 178 Рис. 7.28. Карта-схема (макет) к геодинамическому районированию территории Китая и пр~легающих к нему территорий других государств : 1 - разломы земнои коры; 2 и 3 - границы соответственно Китая и Монголии Если это так , то на ближайшее время должна ставиться задача выполнения работ по геодинамичеокому районированию самих ли тосферных плит. В этом плане под руководством авторов ведутся работы по соз данию карт-схем для Евразийской и Тихоокеанской литосферных плит с выделением внутри них крупных мегаблоков, как основных структур, подчиненных общему напряженно-деформированному состоянию с оответствующих литосферных плит. Представляется, что такой общий подход к работам может уточнить ранее полученные данные для многих мелких регионов, более опре деленно привязать эти регионы к общей блочной структуре соответ ствующей литосферной плиты . Не считая возможным привести в данной книге все разработанные к настоящему времени карты-схемы , в том числе по Евразийской плите и территории России , на рис . 7.28 для иллюстрации характера этих материалов приведена карта - схема , разработанная применительно к территории Китая и некоторых прилегающих к нему территорий . 179 Карта-схема разработана авторами с участием А.С . Батугина и С.И.Петухова и передана Фусинскому горному институту в лице проф. Фань Суэли для использования при проведении дальнейших работ по геодинамическому районированию Китая. Авторы воздерживаются от комментариев по содержанию приведенной карты - схемы впредь до ее !iтава уточнения при дальнейших работах по геодинамическому райони 8. рованию этой территории. Карты-схемы (макеты) геодинамического районирования для всех ОСОБЕННОСТИ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО территорий мира, по мнению авторов, должны разрабатываться из единого центра, в то время как само геодинамическое районирование РАЙОНИРОВАНИЯ ДНА ОКЕАНА территорий зарубежных стран может выполняться своими нацио нальными специалистами при соответствующей консультативной помощи российских специалистов. Выполнение геодинамического районирования по принципу « от общего к частному » на всей территории земной коры, включая ре гионы, занятые океанами, 8.1. ОСБЕННОСТИ МЕТОДИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ТИХОМУ ОКЕАНУ (44)* позволит решать многие крупные задачи, связанные с техногенной деятельностью человека, с максимально возможным соблюдением экологической и геодинамической безопас Геодина~-шческое районирование является одним из важнейших ности, с одной стороны, и с достижением наиболее производительной и экономически выгодной деятельностью при освоении недр и земной поверхности , - направлении исследования океанического дна и его ресурсов. Именно выделение блочной структуры океана, выявление активных разломов с другой. Одновременно, используя эту общую основу, следует продолжать установление условий и характера динамического взаимодействи~ элементов блочной структуры позволяет сделать обобщения, полезные геодинамическое районирование и решение практических вопросов освоения недр и земной поверхности применительно к отдельным регионам. На территории Московской области, начиная с 1996 г., такого рода работы ведутся под патронажем Администрации области (А.С.Тяжлов, Н . В . Гаранькин) лабораторией геодинамики недр МГГУ под руководством проф., д-ра техн. наук И.М.Батугиной и Н.В.Гарань для поиска и освоения полезных ископаемых, часто приуроченных как к зонам отдельных разломов, так и к местам их пересечения. Кроме того, это позволит проводить районирование флоры и фауны в океане а также решать многие другие вопросы например, прокладка труба~ проводов по океаническому дну. Порядок геодинамическоrо районирования океанического дна оста- кина . К настоящему времени заканчивается составление карт геоди намического районирования всей территории в масштабах 1:50000, 1:200 ООО и разрабатывается «Руководство» по их использованию для решения всех вопросов освоения недр и земной поверхности в регионе ется таким же, как и при районировании суши (4, 10, 42], а именно: выявление блочной структуры по принципу от общего к частному· оценка динамического взаимодействия блоков· мической безопасности. Авторы надеются , что такой комплексный Целью геодинамического районирования океанического дна явля подход может оказаться наиболее эффективным и экономически оправ данными для других регионов России. ' оценка напряженного состояния блочной стру~туры. с максимально возможным обеспечением экологической и геодина ется выявление мегаблоков I-Ш рангов и блоков I ранга. д Выявление разломов II, III и т. д. рангов, как это обычно принято ля суши, на территории океанического дна в большинстве случаев (за Исключением островов и шельфа) не представляется возможным осуществить ввиду того , что точность составления карт рельефа дна океа на не достаточно высокая. * Составлено с участием С . И.Петухова и В .С. Сидорова 181 Формы рельефа океанического дна, используемые при геодинами ческом районировании, приведены в табл. 8.1. Необходимо отметить , что в современном рельефе дна прослеживаются все крупные структуры фундамента, для которого характерно б а блоковое строение. Наиболее отчетливо это проявляется в районе срединно-океанских хребтов (СОХ) и в зонах абиссальных холмов, где осадочный чехол невелик. Большинство разломов, которые хорошо прослеживаются в рельефе абиссальных холмов, уже почти скрыты осадочным чехлом в зонах абиссальных равнин, тогда как в рельефе Таблица 8.1 Формы рельефа морского дна Характеристика форм рельефа Формы рельефа Отрицательные формы рельефа Линейно-вытянутая крутосклонная, плоскодон Абиссальная долина Пучина Глубоководная долина Глубоководная терраса Глубоководный желоб а - по локальным депрессиям· б фигурации изобат е ф р лье у дна океана (в плане): , - по коралловым островам; в - по кон- фундамента они прослеживаются реходных зон . д о континентальных окраин и пе- Анализ рельефа показывает что наиб турами являются океанические, пытывают преимущественно п алее устоичивыми струкV плиты (талассоплены), которые ис- нисходящие движения ри проведении rеодинамического дна берутся все высотные отме раионирования океанического V • ная депрессия числе и наиболее глубинных у;:с~:;Jовненных поверхностей, в том рические очертания следующие дешиф овоч Депрессия океанического дна, имеющая изомет- Котловина Рис. 8.1. Выделение разломов по Наиболее глубокая часть какой-либо депрессии Вытянутая ложбина Для выявления мегаблоков 1-III и б 8.2): лаков I рангов используются глубоководнЕ~е же:~~апр;~:~ки (элеме~ты рельефа) (рис. 8.1 и , тки линеино вытянутых изобат, Террасовидная ступень Вытянутая глубоководная и узкая депрессия на дне океана Удлиненная , но относительно широкая депрессия Впадина Вытянутый крутой склон Подводный уступ Гряды и узкие желобообразные впадины, пер- Зоны разломов пендикулярные к СОХ Положительные формы рельефа Срединно-океанские хребты (СОХ) Плато Поднятие Система гряд и поднятий, приуроченная к осям разрастания океанического дна Обширная возвышенность Вытянутая широкая возвышенность с пологими склонами Хребет Подводная гора Подводный холм Гайот Порог Вытянутое поднятие с крутыми склонами Изолированное поднятие с высотой не менее 900 м Изолированное поднятие с высотой менее 900 м Плосковершинная подводная гора Подводный хребет, разделяющий два частично замкнутых бассейна Рис. 8. 2. Выделе ние разломов по ре льефу дна океана (в Про филе) : а - по глубоковод ному желобу; б - по ;одвод ному уступу ; - по цепочке вул кани ческих гор 183 182 характеризующие уступы, цепочки локальных погружений, линейные участки коралловых островов, подножия хребтов, конфигурация изобат. Выявление меrаблоков и блоков проводится по методике, приме- няемой при rеодинамическом районировании суши. После выявления меrаблоков I-III и блоков I рангов выполняются сопоставительные работы. При сопоставительных работах исполь зуются: геофизические материалы, геологические карты, тектони ческие карты, карты донных осадков, данные, полученные при бу рении скважин. В результате сопоставительных работ уточняются границы блочной структуры. Выявить динамическое взаимодействие блоков - это значит, вопервых, установить характер их подвижности (поднятие, опускание, скручивание); во-вторых, определить, каким из преобладающих ус ловий нагружения (сжатия, растяжения, сдвига или их комбинаций) обусловлено это движение. В пределах океанического дна динамика взаимодействия блоков выявляется: по картам геодинамическоrо районирования путем анали за рельефообразующих разломов, которые позволяют установить характер их подвижности, а также по формам блоков; по картам плотности распространения коралловых и вулканических островов, которые несут информацию о геодинамической активности участков океанического дна в различное геологическое время; по картам сей смичности океанического дна. Для уточнения выводов привлекаются и другие вспомогательные материалы: сейсмотектонические карты; геофизические данные; ре зультаты математического моделирования напряженного состояния дна. На рис. 8.3 приведены результаты выделения мегаблоков I ранга дна Тихого океана, выполненные по карте рельефа в масштабе 1:40 ООО ООО. Карта геодинамического районирования океанического дна строи лась в двух вариантах. В первом варианте поле высот определялось по возвышенным участкам, при этом не учитывались отметки днищ впадин. Для второго варианта карта строилась с участием поля отметок днищ впадин. При наложении полученных карт оказалось, что многие структуры совпали. Характерно, что карта, построенная с учетом поля отметок днищ впадин, имеет блоки более правильной геометрической конфигурации и более выдержанную протяженность рельефообразую щих разломов. Поэтому за основу принимается карта, построенная с учетом гипсометрического поля отметок впадин. Достоверность построения карты геодинамическоrо районирования оценивалась по специально построенным вспомогательным картам плотности распространения возвышенностей и впадин. Анализ показал 184 ~овпадение выделенных разломов с инвариантными линиями плот д~~~и размещения возвышенностей и впадин, что свидетельствует~ гр овербности выбранных дешифровочных признаков и проведения аниц локов. ди С целью оценки динамического взаимодействия блоков прово Ще:ись также сопоставительные работы с картами плотности разме ия подводных вулканов и островов . При этом выявлено совпадение 185 границ блоков с инвариантными линиями плотности размещения вулканов и вулканических островов , а также выявлены активные разломы, например, узел разломов а , б, II (рис. 8.3, объект Il). Закономерности динамического взаимодействия блочной струк туры выявлялись также по картам сейсмической активности дна океана. В результате геометризации очагов сейсмоактивности и сопо ставлений с выделенными разломами были выявлены участки, где происходит образование новых структур, например, узел разломов 50, 54, 50а (рис. 8.3, объект Ш). Этот узел разломов свидетельствует об образовании структур тройного сочленения меrаблоков. Участок тектонически напряженной зоны , образовавшейся при формировании разлома, находящегося на продолжении желоба Ж 2 , маркируется разломами D, 39 и 39' (рис. 8.3, объект I) . При промышленном освоении ресурсов океана первостепенным, кроме материкового шельфа, являются работы на океанических остро вах и их шельфах. Поэтому при rеодинамическом районировании океанических островов следует учитывать, что основная их часть находится под водой. Исходя из принципа «от общего к частному», вначале проводится rеодинамическое районирование участка океани ческого дна, на котором располагается остров, а затем непосредственно самого острова. Таким образом, при выделении меrаблока, в котором ,~ 1- 1 Рис. 8.4. Схема распределения деления напряжений в горном массиве. Некоторое представление о напряженном состоянии горного массива ниже океанического дна можно получить, если воспользоваться предельно напряженного состояния, расположенно- го под океаном) n 2 ределяться как боковой отпор от напряжений cr и и: о: = (' cr + )/2 Принят ая для расчета модель горного массива приводится аз на· 3 1 ? 1 8.4. рис. Вблизи поверхности дна океана значение принимается равным = cr1 где cro - cr0 + [(1 + sinp)/1 - sinp] y h , 11 (8.1) предел прочности массива горных пород на одноосное сжатие· Р - угол внутреннего трения пород, для практических расчетов можн~ принимать р = 30°·, У,. - плотность водь· h - величина водной толщи. г----------~ а б I ) сжатие или сдвиг и прилегающих к океаническому дну, может быть использован подход, основанный на концепции о предельно-напря женном состоянии массива горных пород в этих районах. Поскольку на этих участках действует нормальная приrрузка от веса водной / / 1 \Ь \ / h h 1v(·•,·: ь \ ~ 6".,= Oiop -, '· а Рис. а /- / \ L n по \ н При оценке напряжений на участках земной коры, испытывающих 11 Нг плотность горных пород; Н - расстояние от рассматриваемой точки горного массива до океанического дна (рис . 8 .4 .) . ромежуточное напряжение cr , действующее в горизонтальной плоскости будет оп следующим подходом. толщи, то следует еще в большей степени ожидать, что максимальную составляющую напряжений в массиве горных пород cr1 образует актив ная сила, действующая в горизонтальной плоскости. Действие этих напряжений уравновешивается за счет влияния веса горных пород до земной поверхности и веса водной толщи. Действующие в верти кальном направлении напряжения cr3 = y h + yh, где у - средняя в з емной коре (на участке находится остров, применяется методика rеодинамическоrо райониро вания дна, а при выделении блоков более низкого ранга непосредст венно на территории острова - методика, применяемая на суше. При решении вопросов рационального использования минераль ных ресурсов океана, особенно при разработке глубоких месторож дений, необходимо знать, хотя бы ориентировочно, картину распре- напряжений н 6{ - 8.5. ~К расчету напряжений в горном массиве острова: о~щии вид; б - р яжении по сечению распределение вертикальных и горизонтальных на /-/ 187 186 На глубине Н (Н 1 - глубина начала пластического течения), условие предельн;~напр яженного состояния горных пород в формуле состоянии, 1 Т: Кулона-Мора переходит в условие идеальной пластичности, харак приложенных напряжений. На глубине Н"" - уН,ш + У .h+ 2 (8.2) •niax' сопротивление пород сдвигу по паспорту прочности в усло- виях":деальной пластичности на глубине Нпл · На глубине Нг (Hr - глубина начала гидростатического поля напряжений = cr2 = ст3 = у Rh + (8.3) у Н. В процессе дальнейших исследований приведенные зависимости В частности, зависимость распределения главных напряжений c,I' u 2 и с, на участке от океанического дна до глубины Н"" может быть охарак теризована аналитической зависимостью, следующей из условия Куло 3 на-Мора для предельно-напряженного состояния массива горных пород . Условие Кулона-Мора с достаточной для практики точностью описывается уравнением эллипса: 16k2(p2 _ 16 k = уh + к уН1ш'. k /3 2) 2 = = = тniax / u 0 • l 1 • ' (8.7) - с, растет с удалением от океаническо 3 всестороннего сжатия, а затем она посте вследствие снижения предела текучести напряжений. ПриН > Н, распределение главных напряжений с, в зоне сжатия земной коры будет гидростатическим. 3 горных u 1, с,2 и Пользуясь приведенными зависимостями для задания граничных условий, в отдельных точках дна океана, можно рассчитать напряжен ное состояние всей блочной структуры горного массива, залегающего К оценке напряженного состояния горного массива острова можно подойти, исходя из следующих соображений. Распределение верти кальных напряжений с, 1 и с,з по среднему сечению/-/ островной части показано на рис. 8.5. В данном случае максимальными главными напряжениями с, бу 1 дут вертикальные напряжения с,верт' которое определяется по фор о;.,р , = Oj { h + /" v h + '• v + уН уН Коэффициент JН приа > l ,5в = 0,8Jl-f пpи (8.8) а < 1 ,Sв 0,8 отражает разгрузку массива горных пород за счет наличия боковых граней острова. Минимальными с,3 будут горизонтальные напряжения с,п,р' по + + скольку подпор со стороны толщи океана 2т; т; ( примерно в вод ы (8.5) уН. Эти зависимости можно использовать для оценки главных напря жений с, , с, и с,з в области предельно-напряженного состояния мас 2 1 уН. 2 cr3 = r"h 1 уН + 2, 1; + т: пород. При Н ➔ Н, эта разность стремится к нулю вследствие того, (8.4) Главные напряжения ст 1 ст уН мулам: где f3 = р- r.h-yH;p- вертикальные напряжения на глубинеН = Н111,; р + + + (8.6) ниже дна океана уже известными методами . могут быть уточнены. /3 + ✓ /3 2 + Н1111 линейную зависимость (Hr - Н) /(Нr - Нп)· 't" - го дна за счет повышения пенно уменьшается > что в жидком состоянии горные породы не выдерживают касательных напря жений) наступает гидростатическое распределение поля главных т= = Таким образом, разность с, - ст1 1 cr1 = y11 h ст2 = уIJ h cr3 = r"h близок к нулю, т. е. сопротивление сдвигу не зависит от величины где т Если принять при Н Тогда главные напряжения теризующееся тем, что угол внутреннего трения пород р равен или с,1 = О. изменения , 1 с глубиной, то сива горных пород до глубины Н = Н"" . I 2,5 r.H будет значительно раза) меньше столба горных пород у Н (r. - плотность т/м 3 ). Горизонтальные напряжения ({0 р определяются по формулам { о при Н < 6 - /1 о;ор = О"з = l'в Н при Н > в - /1 (8 -9) Таким образом , напряженное состояние горных пород, распо Значение Нr1л может быть принято равным (О,3-0,4)Н. Значение Н, r г при котором устанавливается гидростатическое поле напряжений, ложt:нных во внутренней части острова, может быть оценено по при зависит от температуры и среднего предела прочности горного массива. Первые работы по геодинамическому районированию океаничес кого д на показали , что их продолжение может дать новые возможности Сопротивление сдвигу (предел «текучести ») т I при Н уменьшаться и стремится к нулю при Н ➔ 188 Hr, > Н"" будет поскольку в жидком веде нным выше формулам. 189 в раскрьпии закономерностей в истории развития океанического дна, С) ....., в поисках и освоении его ресурсов. Геодинамическое районирование недр, как никакой другой метод отвечает своему назначению в раскры тии тайн строения и напряженного состояния земной коры, поиска богатейших ресурсов океана, включая флору и фауну. Преимущества метода состоят в том, что с помощью его при минимальных затратах на само геодинамическое районирование, привлекая для сопоставле ния имеющиеся данные многих отраслей наук, районируя их в соответ ствии с полученной блочной структурой, представляется возможным О() сделать глубокие обобщения и практические выводы. По результатам геодинамического районирования строится карта блочного строения океанического дна, которую возможно использовать при: прогнозной оценке металлогении; выявлении нетрадиционных ре сурсов; оценке напряженного состояния отдельных участков океаничес кого дна; разработке твердых полезных ископаемых под морским дном с целью управлением горным массивом и безопасной отработке место рождений; разработке углеводородов, выявлением на шельфе зон повы 'О шенной проницаемости; закладке продуктопроводов и дру гих коммуни каций по дну океана для определения наиболее безопасных мест. П] 8.2. ГЕОДИНАМИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ В ЦЕЛЯХ ИЗУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОГЕНИИ МИРОВОГО ОКЕАНА* На рис. 8.6 представлена карта мегаблочной структуры Мирового океана, составленная по результатам морфоструктурноrо анализа рельефа в масштабе l :25 000000. Карта построена в целях изучения металлогении Мирового океана. На карте штриховкой показаны блочные структуры, относящиеся к различным этапам развития океанического дна. Выделяется протя [S] женная линейная зона ((), состоящая из узких вытянутых блоков разделенных ортогональными к ним разломами. Так проявляется ....., мегаблочная структура срединно-океанического подвижного пояса. Цепочка блоков этой планетарной системы прослеживается по всем океанам. Можно отметить, что влияние срединно-океанических хреб тов (СОХ), как структурообразующего фактора не одинаково для всех океанов, что отражается и на различиях блочного строения регионов. Например, если характер мегаблочной структуры Атлантического океана практически полностью определен действием срединно-атлан - * Составлено С.И.Андреевым и С.И.Петуховым 190 р luc. 8.6. Карта-схема блочной структуры Мирового океана· - контуры материков и • 2 · мегаблочных структур· 4 - н O сrровов; - ~-раницы мегаблоков; 3 - границы д ин но-океан оме~_а приведенных в тексте примеров· 5 - среическии подвижныи пояс- 6 , с nрединг)· 7 пере ' - « молодые» плиты (линейный Рые ' (ходная зона от « молодых » к « старым» плитам· 8 с .. » плиты рассеянный 9 , - « ~асочленения Тихоокеанско~n~еlивнг; -Иокеа~~ичесvкие поднятия; 10 - зона V ' страло- IIДИИСКОИ плит 191 гих океанах влияние срединно-океани- тическоrо хребта (САХ), то в друб ческих хре бтов на хар актер меrа лочно и" структуры не так однозначно. аблюдается более согласное с Там, где скорости спрединrа мень;е~:ой структуры В Тихом океане простиранием СОХ строение меrа ло СОХ мо~но проследить унаследованность блочной структуры от (П) Эта структура только до разлом ной зоны «Великого ri~~a;:;~~ отн.ошению к СОХ представлена меrаблоками имеющими . простира ние что связано с иными геод , ., ~намическими режимами пе иод) развития Мирового океана (меловои ае~ся с~одство в строении меrаВ отдельных регионах просле;~:к и для континентов, что вызвано блочных структур, как для океано ~ическими процессами. Так, напри едиными более древними геодина ба находит свое продолжение в мер разломная зона Алеутского жело (lll) ' ., А ии и хр Гаккеля • разломах северо-вос~?чнои / ого ок~ана можно выделить меrаблочВ северо-западнои части их в п еделах «старой» океанической ную структуру (IV), расположенную еод~намическом режиме рассеян плиты, которая сформировалась в r ичена с востока протяженными ного спрединrа [1). Эта структура огра:осящимся к меловому периоду. от (V) образованным узкир азломами «Великого геораздела», труктурным поясом , На юге она граничит со с ия пересекающими весь Ти- м и меrаблоками субширотног~простиранЮжной Америки). Разломы хий океан (от острова Новая винея до лжение в Южной Америке и этого широт~ого поя са имеют свое продо лее выходят на Африканский континент. Центральнои Атлантике, и да мы этой широтной структуры, возмож В западном направлении разло б Юг Восточной Азии и стыкупродолжение в жело е . V) но, имеют свое ., -Гималайского складчатого пояса ( I . ются с разломами Альпи;~корадусу северной широты, по которому проследить через этот континент до структур южной части океана. Разлом Оуэн (lX) выходит на Азиатский континент и доходит до Гималайского хребта. Геодинамический режим переходной зоны между Тихоокеанской и Австралоиндийской плитами выделяется на карте узкой полосой приподнятых по отношению к ним мегаблоков (III). VIII - зона Алеутского желоба. По результатам анализа полученной карты можно сделать вывод, что характер рисовки блочной структуры того или иного участка океанического дна определяется геодинамическим режимом, господ ствующим в данном регионе. По особенностям блочного строения можно судить не только о свершившихся геодинамических событиях, но и предугадывать пути их развития. Это позволит определить участки океанического дна, которые станут ареной деятельности развивающих ся геодинамических процессов. Ниже предпринята попытка увязать полученные данные rеодина мическоrо районирования дна Мирового океана с его металлогенией. Как известно, главным полезным ископаемым океана являются же лезомарrанцевые конкреции и корки. Эти руды богаты Ni, Pt, Cu, Со, Mn, РЗЭ и Мо*. Их размещение и состав связан со структурно-возраст ными особенностями океанического дна и соотношением глубины за легания рудных объектов с физико-химическими элементами водной толщи океана - слоем кислородного минимума и глубиной критического карбонакопления, определяющим и положение продуктивных бати метрических горизонтов. Крупные скопления железомарганцевых кон креций и корок образуются тогда, когда продуктивные батиметрические горизонты водной толщи совпадают с благоприятными для их форми рования участками дна. Важно, чтобы бширные поверхности дна оказы шапки среза» выделяется « ' Она пересекает весь Тихий океан, а вались в их пределах, а это возможно благодаря блочной его структуре. азломы выходят на контролирующие ее р . этой структуры прослеживаются до Евразийском континенте разломы жить что геодинамический онные поля. Особенно это четко наблюдается в поле Кларион-Клип Приблизительно по г одит предположительно прох VII широтная мегаструктура ( ., Гималаиского пояс а . граница Американский материк . На ). Можно предполо кт , ы Гималайского пояса, кон- режим, создавший мегаблочные стр~уру~убширотноrо простирания в тролирует развитие некоторых струк Тихом океане. Сложное блочное строение имеет развитием в этом ок Индийский океан. Это связано с еане трех звеньев СОХ каждое из которых, туру ИндийскоАrофор:е:аннас;~:л;::~~не, так некоторые разломы можно 192 ложения поверхности океанического дна являются почти все конкреци пертон. Оно располагается в пределах блока между одноименными раз ломами в Тихом океане. Блок опущен по ним на 200-300 м и его поверхность оказывается в продуктивном интервале от 4300 до 5000 м водной толщи, где формируются богатые металлами конкреции. В той же мере это условие должно быть выдержано для кобальтоносных ко рок, которые формируются на меньших глубинах от 600 до 3500 м. , " жим перестраивает в нескольких создавая свой rеодинами:,ес~иик~е ныi,'; план. На меrаблочную струк направлениях предыдушии с ~у у~ются геодинамические процессы, проходящие в Примерами благоприятного сочетания продуктивных горизонтов и по * Андреев С.И. Металлогения Мировой талассоrенной системы. // В сб. « Литосфера океанов»: состав, строение, развитие, прогноз и оценка Ресурсов. ВНИИОкеангеология, СПб., 1995, часть II, с. 162-185. 193 позиция минеральных место ходит в 1981 r. и переводитс:~:дении» _:' · Митчелла и М.Гарсона выV Подводные горы, верхние склоны которых обычно покрываются корками, занимают в отношении этого продуктивного горизонта опти мальное положение благодаря вертикальному перемещению основания. Положение в ходе рудоотложения может меняться по амплитуде, что • приводит к образованию многослойных корок или может приостановить процесс вообще. В какой-то геологический отрезок времени подводные горы могут быть выведены на поверхность океана, эродированы, а затем вновь опущены. Образовавшиеся таким образом гайоты-rоры со срезан Общим для эт русскии язык в 1984 r. их научных трудов качестве главного ингредиента является признание спрединга в геодинамического фактора · О со б о важная роль развития и приоритета хронометру, придается магнитном п , как геоисторическому позволяющим датировать осно вныеу этапы олю форм и магнетизму горных пород ' геологического коры. В основу нового воззр структур, прежде всего океана б ения на историю ирования океанической развития геологических ными вершинами, особенно благоприятны для коркообразования. В Ти- вование литосферных' плит , ыли положены три постулата: сущест этого типа· формирование о самых крупных тектонических таксонов дуктивного горизонта на глубинах ' океаниче водных окраинных желобовз иытка скоиv коры в зонах глубоковозможно других v хом океане под воздействием блоковых перемещений плоские поверх ности многих гайотов заняли оптимальное положение относительно про 1400- 1500 м, что приве;;ю к форми рованию крупных рудных скоплений корок, богатых Со, Mn, Pt и РЗЭ. Геолого-экономические оценки показали, что железомарrанцевые конкреции и корки образуют в океане месторождения, представ ляющие реальный промышленный интерес и вопрос их освоения дело обозримого будущего. Развитие металлоrенических идей в Мировом океане изначально связано с тектоникой плит. Независимо от того насколько эта теория оказалась правильной, она повлияла на эволюцию геологических воззрений в ХХ столетии кардинальным образом. Мы имеем дос таточно редкий случай, когда стройная логическая система умозак лючений в короткий срок подчинила себе разрабатываемые деся тилетиями эмпирические концепции, базирующиеся на огромном фактическом материале. В нашей стране металлоrения и новая глобальная тектоника по- лучила толчок к совместному развитию в 1973 r. на одноименном со вещании*, проходившим в r. Ленинграде во ВСЕГЕИ с участием ведущих металлоrенистов и тектонистов: В.И.Смирнова, Д.В.Рундк виста, П.Н.Кропоткина, А.А.Ковалева, В.Н.Хаина, Л.П.Зоненшайна, М.И.Кузьмина, Д.И.Мусатова, М.А.Фаворской, И.И .Томсона и многих других. Стремясь остаться в русле передовых идей , почти все участники искали и прогнозировали пути дальнейшего развития металлогенических построений не только в Мировом океане, но и на континентах. В последующем эта тенденция нашла свое наиболее полное отраже ние в монографии Л.П.Зоненшайна, М.И . Кузьмина, В.М.Моралева «Глобальная тектоника, магматизм и металлоrения» , изданной в 1976 r. За рубежом работа аналогичного характера «Глобальная тектоническая * Металлоrения и новая глобальная тектоника. Краткая тезисы докла дов к Всероссийскому научно-техническому совещанию Проблемы металло rении в свете идей новой глобальной тектоники . ВСЕГЕИ, Л ., 194 1973 , 156 с. ' дна в раздвижения· поглощение икеаническоrо б пределах этих плит за счет ходных зон от океана к конти нентам Легко з разновидностеи перегающими элементами геологи . аметить, что основополаческоrо строен тектонические блоки и разлом ия в этом случае являются выделения литосферных плитн~:т~~ктуры различного ранга. На уровне крупнейших на планете глуби д верrентные и конвергентные зоны плит - трансформные разломы нных структур. Внутри литосферных ческоrо дна на блоки с раз , подразделяющие пространства океани вания . На более локальномлуирчным скоростным режимом формиро- сегментов срединно-океан ическоrо хребта , в пределах отдельных v ческих поднятий проявляются или в раионе внутриокеаниовне, например связанные с нетрансфор разломы других генетических типов мными явлениям ' Если говорить о Мировом оке ане как о rеоло и или местным v вулканизмом · ировои талассоrенной системе с'с И А гическои меrаструктуре нанта блокового строения и . . ндреев, 1993), то для нее доми м v ководящим признаком , в O разломны роль принадлежит не только структ тличие от контине УР является как бы ру- нтов, где главенствующая тически разноуровненной моз аике rеолоrическ ментам, но и изостаныхСмощными вулканогенно-осад очными толщами их структур, выполненLl] ущность всего сказанного сводите . ких пространств особо важноr дизъюктивным эле я к признанию для океаничес- ления океанических мегабассеv о значения разло вития . Это значит что при те кто , к ' ого дна мы сталкиваемся пре ническом инов о , апе их внутреннего разокеаничес- райо нировании жде всего с его б тражающим неоднородность уст ойст , намического формирования мов как на этапе обособ- так и на эт р лок~_вым строением, ва и различныи характер rеодив отдельных частей п б опроса имеет некоторую предысто С · одо ная постановка плит одним из первых предлож ри:. хему размещения литосферных видоизменялась и дополнялась Бил .Дж.Морган (1959). Позднее она н ическоrо и континентально . ыли выделены мегаплиты с корой океаrо типа или только с корой океанического 195 . типа· мезоплиты с контине нтальной и океанической корой и буферные Четыре типа границ разного возраста , отмечаемые амплитуд ным Наиболее интересными с метал- мезо~литы с корой пе.?еходноrо/:::· оплиты. Среди них Истер, Хуан скачком в положении разноуровненных плоскостей океанического дна, четко намечаются в меrаструктуре Мировой талассоrен ной системы. лоrенических позиции являютс р ются в осевой части срединноОни располаrа Фернандес, Кокосовая . Через эти сводообразные структуры океанического хре бта Тихого океана. Первая отвечает переходу от континентального склона (в пределах пассивных окраин) или желоба (в пределах активных окраин) к абис сальным котловинам, представленным старыми океаническими плита жно предполагать имеет место ловые потоки и, мо , проходят мощные теп оrенный тепломассоперенос. активный, вполне вероятно , руд ф ы и деления ее на rеоблоки Неоднородность строения лКитос ер * Два положения вытекаюб ' I Л.И. расноrо . составляют основу ра оть лодотворными при решении меv б едставляются п щие из этои ра оты, пр блоковая делимость океанов Современная reo v таллогенических задач . ми,. Возраст последних средняя юра - апт (171-119 млн .лет). Эта часть океана формировалась , в основном, в режиме неупорядоченного спре динга. Некоторые участки , примыкающие к континентам и характери зующиеся «спокойным » магнитным полем, могли образоваться и по другой схеме . Вторая граница , ограничивающая блоки, составляющие а с протопланетнои стадиеи ю автора связан и континентов по мнени 'и характер В первую очередь, наследованны · р азвития Земли и имеет у ь1м структурам как рифтовые таким грандиозн сказанное относится к ски активные зоны островных дуг. · бтов и вулканиче зоны срединных хре и металлогеническои специаV старые океанические плиты, соответствует переходу к неспрединrовой меловой зоне, которая образовалась в середине мела (апт-кампан), в абсолютном летоисчислении, в интервале 119-80 млн. лет. Вдоль вто рой границы или вблизи нее размещаются многочисленные вулкани V V Второе положение сос лизации различных rеоблоко у вязки ческие и вулкана-тектонические поднятия, сложенные базальтами, на чиная от примитивных толеитов до субщелочных их разновидностей. тоит в определени в. Такой подход открывает возможность v истории геолоrическои и металл оrении доокеанического этапа v структуры современного с этапом формирования ализовать весьма плодотворные Мирового океана . Он позволяет ~еоиv металлоrении А.Д.Щеrлова и · русле нелинеин v идеи, работающие в и благоприятствуетспецифическии супергло б альнои V И.И.Говорова**. Решению этои задач ииvся отражением его глубин" ф а океана являющ характер макрорелье в; шиной «айсберга» , внутреннее устроиV ной тектоники, своеобразнои р бо но достаточно изучено rеоески познано ела , ство которого rеолоrич е ованная связь рельефа и глубинного ф изическими методами. Опоср д е предпосылки к успешному строения дна океана содержит вески у ктурноrо метода, как средства выделения б применению мор ф остр исхо я из амплитудных скачков и атиблоков различных порядков, д истических верхних поверхv жанности характер 86 метрическои выдер ода приведены на рис. • , ностей. Результаты при менения этого мет кт Мирового океана, и элементы представляющем блочную стру УРУ ктурой континентов . Сопостав возможной ее связи с меrаблочно~ стру Мирового океана позволяет v оническои схемои ление этои схемы с тект v очерк с rеоисторическоrо анализа меrаблочначать металлоrеническии бя внимание что казалось v Обращает на се , V V ной океаническои мозаики . бы хаотическое распо ложение б локовь ,х ансамблей находится в хоро- шем согласии со структурно-возрастными 196 - М . , Наука , 1985 , 321 с. системы. Примерами последних могут быть такие системы вулкано генных поднятий как Маркус-Неккер в Тихом океане, Азоро-Гибрал тарская система разломов и вулканических поднятий в Атлантике, Восточно-Индийское поднятие в Инд,1йском океане. Эти крупные дискордантно расположенные по отношению к общему тектоничес кому плану океана структуры могут иметь свои «корни» на сопре дельных континентах, как правило, более древнего возраста. Последнее представляет металлоrенический интерес, поскольку позволяет реализовать идеи сквозного во времени унаследованного рудообразования , связанного с более ранними (доокеаническими) этапами развития в пределах современного океана. Блочный характер Устройства старых океанических плит и меловой неспрединrовой зоны осложняют структуры особого типа - поднятия , называемые океан скими землями . Они находят выражения в виде обособленных непра в ил ьной формы приподнятых блоков (поднятия Шатского , Хесса, Манихики, Онтонr-Джава и др . ), вероятно фиксирующих наиболее 11 с. Фическая для океана металлоrения , характерная для дифференциро 1984, 222 * К,расный Л.И. Глобальная си Н ая металлогения и глубины ** Щеглов А.Д. , ,r оворов ИН . • елинеин Земли. ническими поясами, имеющим самое различное простирание: от со гласующегося со структурами океана, до секущего по отношению к разновозрастным тектоническим элементам Мировой талассоrенной особенностями дна океана. стема геоблоков . М •: Недра , V Блочная структура меловой неспрединrовой зоны отчасти насле дуется от старых океанических плит, отчасти контролируется вулка Н ертные участки подокеаническоrо субстрата. Здесь ожидается специ ванн ых комплексов базит-ультрабазитовоrо состава: собственно мarмa l'l1tiecкиe сульфидные месторождения никеля, меди и кобальта. 197 Третья граница отделяет меловую несnрединrовую зону от молодых океанических плит, сформировавшихся в режиме линейно-упоря доченного сnрединrа от единого центра разрастания. Возраст камnан - верхний олигоцен (80-26 млн. лет). Меrамеrаблочная структура для молодых океанических плит определяется, прежде всего, трансформ ными разломами - их первой генерацией, самыми протяженными и четко и выраженными в рельефе дна. Некоторые из этих разломов выходят за пределы молодых плит и вторгаются в меловую неспре динrовую зону, придавая ей местами (например, к востоку от поднятия Хесса) клавишное строение. Начиная с миоцена (26 млн.лет) океанический фундамент исnьпы- вает поднятие. Сначала после некоторого нарушения линейной регу лярности раздвижения происходит небольшой подъем мантии (граница Мохо) и нижней границы литосферы. В позднем миоцене (10 млн. лет) этот процесс сменяется воздыманием дна на 2-3 км. с образованием крупнейшей планетарной морфоструктуры - срединно-океанических хребтов. В тектоническом плане это активный подвижный пояс - под водная горная страна талассиды, испытавшая на себе процессы, и чем то сходные с ороrенезом суши. В ее пределах проявился мощный вулканизм и произошла последующая сегментация с образованием в nостолиrоценовое время семейства новых трансформных разломов на фоне сnрединrовоrо формирования океанической коры . На последних этапах развития талассид, уже в четвертичное время, отмечается су щественное усиление гидротермальной деятельности, что с металло rенических позиций наделяет эту океаническую суперструктуру высо чайшим рудным потенциалом. В ее пределах на протяжении последних 100-150 тыс. лет закладываются и функционируют мощные рудно-rид ротермальные системы, крупнейшие по своим размерам, интенсивности и регулярности глубинной теплоотдачи. В настоящее время в пределах осевой рифтовой зоны талассид установлено несколько десятков крупных и мелких сульфидных рудоnро явлений меди и цинка, соnутствуемых золотом и серебром. Наиболее крупные из них (рудное поле Полярное, Марк,ТАГ в Ат- v rовых наруше нии, блаков сложенны основного состава, вероятно тре По окраинам Мировоиv , талассоrенной по отношению к новым океаниче системы, как резонанссовые с мела, развиваются активные ским плитам и талассидам, начиная представленные блочнь1ми a nбереходные зоны - транзитали (!] нсам лями та , как островодужные поднятия обь ких геологических структур, ных разломов, впадины вн ' ~чно рассеченные системой попереч- поднятиями. Металлоrени~~е::зих окр~инных морей, усложненные металлоrении талассид Здес р италеи значительно разнообразнее Cu и РЬ сопутствуемы~ как ьи, кроме сульфидных рудопроявлений Zn с в океанах Ag А , копления пиритовых руд, само одной и u, известны крупные В латерали, на островах , блокорвая тектоник серы, ртути, самородной меди · распределение продуктов абр v россыпеи, чаще всего предс а существенно влияет на азионноrо разру гические объекты, как «r~рячие то ратить внимание на такие геоло50 (1) . Они характеризуются выс:очки». Их в Мировом океане более вулканизмом, размещаются ким тепловым потоком, активным ше нии разнои ориентировки как на стправило , в узлах разрывных наруМногие «горячие точки , ыке различных блоков. » тяготеют к те расположенным по отношению невым зонам, дискордантно V V ' глубинное заложение Руд к структурам океана, указывая на их · оносность «горяч известно, что с ними связаны их точек» изучена слабо но Тихий океан) , РЗЭ (о-ва 3еленого рудопроявления сульфидов Cu (r. Л оихи, ' м ) нарские о-ва, о-ва Зеленого мыса ~са , выявлены карбонатиты (Ка океана (см. рис. 8.6) позволяет о~ ое аити). Схема блочного строения цию «горячих точек» наметит ш ' и, уточнить конкретное по ь с р делить общетектоническую позивязь с металлогенией су- возможную с ложение в совр вязав установленные признаки рудно-rеохимической специализ/ океанического дна на основе инамическоrо районирования анализа морф лько могут служить повышению эфф оструктурного плана не типов океанических руд Мирового океа:ктивности изучения известных металлогенического анализа в плане основаны на анализе блочного строения - сегментации, заключающей ся в выделении блоков с различной конфигурацией верхней поверх ности; разломов, смещающих борта рифтовой долины; несnреди н198 vомов, конфигураций блоков и Иными словами рез циеи магматических пород , ультаты геод · перспективе рассматриваются, как объекты, имеющие практическое ного оруденения в осевых зонах срединных хребтов, в большой степени v еменнои структуре океана данном районе, направлением р~~~генеза с характером спрединга ~ то значение. Критерии выявления гидротермальных систем и сульфид шения и формирование Анализируя эту ситуацитавленных оксидами Fe и Ti. юс позиции сырьевых ресурсов океана следуе б расширения минерально- лантики; Галаnоrосское рудное тело в одноименном хребте, группа ру допроявлений в хребте Хуан-де-Фука, Эксплорер в Тихом океане; рудоносные илы и рассолы глубоководных впадин Красного моря) в х экзотическими породами ультра- тьеrо океанического слоя. а, но и открывают возможности расширения его рудного потенциала. форму, причем , надо полагать в пе венной разгрузки будет иметь ' " рвыи момент в результате мrно- ция . Мгновенная упругая деф место даже быстро затухающая вибра по начавшемуся разрушаться ~~::ция пресса проявится в виде удара главных причин того что /лава риала образца. 9. ПРИРОДА И КЛАССИФИКАЦИЯ fЕОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ 9.1. ПРИРОДА И ЭНЕРfЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ За последние пятьдесят лет российская горная наука, как отмеча лось выше, выполнила крупные работы по решению проблем горных ударов, выбросов угля, породы и газа при разработке угольных, рудных, соляных месторождений. Приоритет успешного решения этих проблем признается в мировой горной науке и практике . При постановке этих работ в начале пятидесятых годов , прежде всего, вставал вопрос о природе этих явлений, об их энергетическом балансе. Именно его решение могло обеспечить научно-обоснованное создание мер прогноза динамических явлений (горных ударов, выбросов) и их предотвращения. Начиная с р цу угля. В этом, очевидно, одна из угля на прессе сопров~ждае~~:р~з:ение прочных образцов пород или 1951 r., применительно к шахтам Кизеловскоrо бас- сейна, а затем - к шахтам и рудникам всех бассейнов и месторождений СССР под общим научным руководством ВНИМИ были выполнены широкие комплексные исследования с использованием методов гео механики и геофизики, прежде всего, в целях выработки представлений о природе явлений. Уже в начале пятидесятых годов была разработана [37) рабочая гипотеза или геодинамическая модель горного удара, которая впоследст вии легла в основу создания энергетической теории горных ударов [39). Остановимся на этом несколько подробнее. Начнем с общеизвест ных способов испытания горных пород на прессе. Ранее не обращали внимания на то, что при испытании образца горной породы деформи руется не только образец, но и сама система пресса . В действительности же вся система пресса под действием нагрузки, которую она передает на образец, подвергается упругому сжатию. В момент разрушения образца пресс мгновенно восстанавливает свою ельчением и разбрасыванием мате- Особенности деформирования и аз пород на прессах отмеченнь р рушения образцов горных вызвали необходи~ость провед,е еще в начале 1950-х годов, позднее ения исследований б льных, так называемых жестк о разцов на специаность поступления энергии их пБрессах, чтобы исключить возмож извне. ольшие рабо выполнены во ВНИМИ Б ГТ Ана .. арасовым логия с разрушением образ ты на жестких прессах ., . и Е.В.Лодусом («мягком») прессе была ис ца rорнои породы на обычном тезы, объясняющей меха пользована при разра б отке рабочей гипо- ударов [37). Именно тако;ои:: и энергетические особенности горных при разрушении целика угля ввида силы и деформации имеют место шахте когда в по залегают мощные слои у ' чве и кровле его кварцевыми песчаниками~ругих пород, представленных, например, Поскольку нагрузки на предельно нап дине его возрастают то и в ' гое восстановление кровли сове шае ряженном целике угля к сере- момент разруше исходит как бы разбрызгивани р ния целика большее упру- тся вдали от кромки целика. Про сивного удара в его средне" е целика угля в результате более интени части, менее интенс еформация вследствие аз ивного - по краям. д ма значительной Она ока р грузки боковых пород может быть весь. жется в п ямой зав 6оковых пород ' на которои" с казывалось влияниеисимости от площади угля, от величины и распределе разрушенного целика дуле й упругости толщи боко т ния нагрузок на целике, а также от мо- вых пород акимугля образом, упругоеи воздейств~е б оковых пород способствует в ыбросу из целика проявляется в форме rвующим звуковым сигналом. удара с соответ- с· Этим же объясняется возникновение с," раняющихся по земной по л еисмических волн, распрост- верхности в радиусе ометров от места горного до нескольких киrор ных ударах вплоть до удара , и сильное измельчение угля при то ., .. ' нчаишеи угольной пыли . появления на контак те с кровле и" слоя Принимая во внимание, что в момент г Мгно венное упругое колебание бо орного удара имеет место явле ние при каждом сильном ковых пород, нетрудно объяснить по РУwе нным целиком угля Обгорном ударе щели между кровлей и раз. разова ние щели происходит вследствие 201 200 J а где W:н, - величина притока энергии для разрушения пород в очаге гор о в '(lf изв .W не, энергия , необходимая r- ного удара. еличина Кл изменяется от О до происходит тогда, когда Кл > О. 1О и б Д олее. инамическое явление Остановимся кратко на бал.шее нашей постановки этого вопросы со~;ергии горного удара. Отличие вующая в горном ударе складывается оит в том, что энергия. участ накопленной уrольны~ пластом породами Таким об из энергии упругих деформаций, , и энергии, накопленной боковыми разом, запас полной потенциальной участвующеи в горном ударе, • V Рис. 9.1. Участие боковых пород в притоке энергии при горных ударах: а и б - соответственно в целике и очистном забое; Лh 1 и Лh2 - соответственно смещения кровли и почвы в результате упругого расширения мас сива горных пород в зонах разгрузки; J - зоны опорного давления и разгруз ки до горного удара; 2 - то же, после горного удара; 3 - область, из которой W= WIW У ,,, где потенциальная энер W - иве горных пород . 3 начение WУ ори ентировочно WУ инерции несколько больше, чем сближение кровли и почвы, тем более, что в первый момент, очевидно, происходит еще и выпучивание кровли и почвы в сторону разрушенного целика угля, которое затем исчезает. Согласно принятой геодинамической модели горный удар пред ставляется, как хрупкое разрушение участка угольного пласта или горных пород, находящегося в предельно напряженном состоянии, когда скорость изменения напряженного состояния на данном участке угольного пласта или пород превышает максимально возможную скорость выхода его из-под нагрузки• . При этом обязательно имеет мес то приток потенциальной энергии из окружающих пород . При горном ударе с разрушением в целике угля приток энергии совершается из об ласти образовавшейся при этом зоны частичной разгрузки 3 (рис. 9 .1, а и б). При стрелянии пород (рис. 9.2, а) разрушение совершается по АМ и NB в виде среза и движения по неровным поверхностям с возникновением критических напряжений отрыва на участке MN , достаточных для завершения явления стреляния с выделением энергии из прилегающего объема породы. При срезе (рис. 9.2, б) также возни кает перераспределение энергии в определенном объеме пород. Разрушительная сила горного удара определяется коэффициентом (9.2) поте~iциальная энергия в магсися, заключенная в угольном пласте; W - идет приток энергии того, что деформация угля, получившего мгновенный удар, в силу где CJcr - (9.1) = CJер2 12E2 Vу' среднее напряжение (9.3) упругости угля; V - объем угля, Потенциальн У ю эне ги действ ующее в пласте; Е2 - модуль , подвергшегося разрушению при ударе. вующей в проявл~нии гt н~~прiг~го сжатия в горных породах, участ что при горном ударе бо~овы/~ ра, можно определить, исходя из того, жаются на величину/ и с ороды в результате расширения сблио А ' ледовательно, при этом совершается работа = 112 CJcrS lo, (9.4) а (S - площадь разрушенного целика). Половина здесь берется пото му, что в процессе сближения по род на величину L сила изменяется от CJ<J? s до нуля. о Сближение/ мо- жет ьыть подсчитано по форJуле l0 =04·2х" где 2хо о"о• ' - (9.5) ширина выработки (в дан ном случае - ширина области раз ~рузки пород при ударе); t:o - мак- 5 имальное относительное расши Таким образом, упругая потен циальная энергия, которая заклю 202 " · может быть подсчитано по формуле рение пород при разгрузке. динамичности • Диплом на открытие № 337. энергии, Рис. а 9.2. - vпри чена в массиве пород, окружаю ластеи щем целик угля, области Приток энергии: стрелянии пород ИЗ об 1, 2 и 3; б - при срезе из 4 203 Иная ситуация наблюдается при rорнотектоническом ударе. До = W подхода волны энергии система располагается в точке К (рис. 1/2 crcp Sl0 . Отсюда общ:й запас потенциальной энергии при горном ударе определится из выражения [37j WJ = О:,.,, { а-,.,,11 --+ Е2 о4 ' Хо /:{1 и переводом ее в точку М. Это объясняется свойством большинства горных пород к скоростному упрочнению при ) деформирования приобретает вид ОМТ. Переход нагружающей сис темы в точку М сопровождается изменением ее энергозапаса и э нерго где h - мощность пласта угля. альная энергия, проявившаяся потребления разрушаемым элементом . Энергозапас на системе будет В работе [37] рассчитана потенци м Калинина Кизеловскоrо 12 мая 1963 r на шахте и . при игорном ударе . я энергия рассматриваемого удара характеризоваться площадью БМН, а энергопотребление = 8,4 . 10 ж . wУ - 6 2 · 10 в целике угля, 9 - ' оте Дж. ном случае в угле заключено ли J 2 площадью линии АС, а запредельная диаграмма деформирования большинства пород характеризуется шь возрастанием модуля спада при повышении скорости нагружения. Таким образом, из сравнения диаграммы энерго Из расчета следует, что uв дан гии го ноrо удара. 7 ,3 % полной потенциальнои энер о мо~ет быть определено по выраПри неизвестном значении &о он . I жению &0 = о-ер Е1 · де· 7) в этом случае запишется в следующем ви . (9 Формула • h Хо О,4Е W -- q2,, { -+ Е 1 - фигуры ВМТ. Линия МН получается путем параллельного переноса бассейна . Полная пот;ндциа~ьн\циальная энергия, сосредоточенная составляет W повышении скорости энерrоподвода. При повышении скорости деформирования диаграмма (9. 7) , 9.3). Приход волны энергии сопровождается ударной пригрузкой системы потребления и энергоподвода видно, что избыток энергии (площадь ТМН) при горнотектоническом ударе значительно больше, чем при обычном ударе (площадь АБС). Волна энергии повышает энергозапас на системе в большей степени, чем увеличивает энергопотребление разрушаемого элемента. Катастрофичность rорнотектонического удара возрастает по сравнению с обычным ударом, не инициированным (9 .8) волной энергии толчка. ' Горнотектонический выброс - это выброс угля (породы) и газа, где Е1 - модуль упругости пор~:з~~~~- отличиях в природе так назы- вызванный приходом волны сотрясения в массиве. Послойное разру ваемых горнотектонических ударовu~ вы Дополнительная энергия, необходимая для послойного разрушения, Нескол ько слов следует с брасов отнесенных к отдель- , ному классу динамичес~их яв~е:~~ор. ный удар, вызванный приходом Горнотектоническии удар э е ( рясения) в массив . волны энергии от толчка сот амических явлений типа горного Рассмотрим баланс энергии дин р - деформация D> представудара. На рис. 9 3 координатах «нагрузка . в аз шения элемента массива горны х лена полная диаграмма ОАБ р иРJбычных условиях. Линия АС - это пород для энерrопоrлощения прок жающих пород. РУ ентом предела прочности, д иаграмма реализации энергии u ру шаемым элем шение материала при выбросе требует больших энергетических затрат. создается давлением газа, сосредоточенного в объеме разрушаемого эле мента. В обычных условиях измельчеШ!е материала при выбросе и перемещение частиц производится давлением газа , окружающие породы вследствие сравнительно медленного послойного разрушения не « успевают» создавать избыток энергии на нагружающей системе. р ,., р /'1 При достижении раз пособность на нагружающеи тся его несущая с после которого снижае сленно равная площади треуrольсистеме, накапл ивается энергия, чи собен поглотить энергию, чис ника АБС. Разрушаемый элемент споАББ Сравнение накопленной и лен но равную площади треугол ьника u показ ывает что поrлощаемои э нергии ' при численно равн ая площади треугольника АБС Это энергия и вызывает горный удар. * В анализе принял участие Е.В.Лодус. 204 о. бмене выделяется энергия, . О В TliCHE Рис. 9. 3. Условия э нергообмена nрн rорнотектоническом ударе о Рис . в 9. 4. с н l Условия энергообмена при rорнотектоническом выбросе 205 же причине более динамичными являются выбросы, вызванные мма ОАС деформирования элеменНа рис. 9.4 представлена диаrра Л АС показывает реализацию шении иния ует ру та при послойном его раз ~ что практически соответств сотрясательным взрыванием. Рассмотренные особенности проявления rорнотектонических яв энергии окружающи~и к:~~~~:~о~ энергии упругого восстановления энергопотреблению, так лений имеют прямое отношение и к возбужденным техногенным ется. землетрясениям. окружающих пород почти не образ~ оса волной энергии толчка обета- вы р ерrия система располагается од нако при инициировании хода волны эн новка не изменяется. до под I энергии переводит систему в в точке К (см. рис. 9.4). Приход в~;рн:хода системы при поступлении точку м • пр ичины именно такого е волны энергии рассмотрены выш . момент прихода волны энергии Резкое увеличение нагрузки в шает энерrозаnас на нагружаю(точка М на рис. 9.4) значительно п;:;~ равной площади фиrурыАВС, щей системе: вместо энергии, числ площади фигуры МВН. Кроме образуется энергия, численно ра;:::яет характер деформирования того, приход волны энергии_ :место послойного разрушения под газонасыщенного материала. сходит ударное его нагружение и воздействием энергии газа про:чительному объему. Ударная волна разрушение, одновременно по зн рость деформирования материала, имеет существенно большую ско участием газа, и газ не успевает чем при послойном нагружении ~ении n инять активное участие в разру ия к ~дновременному разрушению р Переход от послойного разрушен ат (график МПС запредельного больших объемов требует меньших ::Jение графиков МПС энерrоnо деформирования (см. рис. 9.4~ С~шому объему и МН (энерrоотдачи) требления при нагружении по б ол вался большой избыток энергии показывает, что в системе( о :;:~ь фигуры МПСН). Этот избыток и n roro деформирования пл ~р~~вляется в форме горного уда:~~адия процесса - послойный отрыв по сле этого начинается втора ках за счет эне материала в разрушенных кус б ргии газа распределенного ' се но с тем отличием, что Раскрытие природы горных ударов позволило выработать комплекс эффективных мер профилактики для их предотвращения во всех весьма разнообразных геологических и горнотехнических условиях работы шахт в СНГ. Прогноз ударов был практически сведен, во-первых, к выявлению склонных к горным ударам пластов угля на всех угольных место рождениях с последующей публикацией «Каталога» таких пластов и, во-вторых, - к систематическому поиску опасных мест в шахтах, разрабатывающих удароопасные пласты угля. Этими вопросами занимается специальная служба прогноза и борьбы с горными ударами, вооруженная соответствующими ме тодами и аппаратурой. Эта служба выявляет опасные по горным ударам места в шахте (целик, забой или бок горной выработки и др.), обеспечивает приведение их в неопасное состояние, проверяет на дежность выполнения этой работы и только после этого разрешает возобновление горных работ [18]. Как показал многолетний опыт, этими мерами обеспечивается полная гарантия того, что горного удара в ранее опасном по ударам месте не произойдет. Такой принципиально новый подход обеспечил практическое решение проблемы горных ударов на угольных шахтах. Среднегодовое число горных ударов за сорок лет в расчете на один опасный угольный пласт сократилось в сотни раз, несмотря на то, что средняя глубина разработки угольных месторождений на это время возросла в три раза. Как видно, обеспечение безопасности ведения горных работ здесь бази руется не на предсказании времени проявления горного удара, а на сво этом евременном принятии профилактических мер по его предотвращению. процессе горное давление уже; с~ резко возрастает доля внешнеи проявления горных ударов позволило далее разработать комплекс R в них, как и при чистом вы р~ n 'инимает участия. Таким образом~ при горноткетоническом вы ро овательно, значительно увеличи эне rии W в его проявлении и, след ле ет отметить, что динамич вае~ся коэффициент динамичности. ~б ~iax не горнотектоническоrо ность повышается и при крупных вь я ~остадийно и на сейсмограмме типа. В этом случае выброс развиваете_ волна послойного отрыва оги заnисывается несколькими nакетам~-риводит к его хрупкому разру бает какой-то участок пласта, что его послойного разрушения угл я wению, открывая фронт по~еду;~есс при крупных выбросах може~ газом и горным давлением. тот n их общую динамичность. По тoi,t проявляться многократно, повышая 206 Обобщение накопленного опыта шахт по выявлению возможного профилактических мер, применяемых на стадиях проектирования и строительства шахт, планирования развития горных работ в пределах шахтного поля, предусматривающих ведение горных работ без оставле ния целиков угля, с использованием опережающей отработки защит ных пластов, региональной rидроотработки опасных пластов и многих других эффективных мероприятий [37, 38, 50]. Полное внедрение разработанного комплекса мер ликвидирует Rозможность опасного проявления не только обычных горных ударов, Но и даже rорнотектонических ударов , являющихся, как правило, 207 - и В прежние годы пр лее разрушительным . . наи 6 о например, тектонических r:~::, на и отдельных горно- Ткибули-Шаорском у гольном wение сотен происходило одновременное р;:с~е внедрения ~::о~€!ii.:::,~~~т;:л~~:;;:;;ii~~::;;;:;;~с;ь;:,~::::ь~: ~~а~~~~ rорнотектонические уда~:~:е~~одолжа~и происходить пракранее м елкофокусные землетря естве 0 е проблема тиче~;: ;:з::о~:е ;;:ных и·:оез;::::~х::~:~:::;:::~:шь в 69:~~~ борьбы с ~:~:::1 ~д:J~~:екс мер полност~: е::;:;:е~р~;~д:твраrоды, разр ффективной деятельности слу ием тех же принципов, v благодаря э иках с соблюден ов за щения горных ударовш::т~~нсреднеrодовое число горннаыху::::чение а угольных ' 6 аз несмотря что и'днние десять лет сократилось в е~ий и возрастание вследствие после б и рудных месторожд глубины разра отк асности. у многие старые Р удни- этого удароо:ется одна особенность. Посколь~илактики борьбы с гор- ки ::~~~ь::Стро~ь~~::::а~~ ~;~;::с::и:д~~аточ~~а~~~т~~; ~ii:~~;: ными ударами, ие радикальных, регионального среди выработанных их на применен Вследствие этого оставленные формы создают горными ударами. ы различных размеров и ических уда- пространств 0~::::яр::их разрушитель~ых:ао~;;:~::~:ных методов опасность пр ров. Поэтому пр иобретает значение разра от том числе с учетом фактора времени. Что ения гор- прогноза rо~н;;:z~~~в~ево предсказании врерм:::н:0;;:::~~да людей это означае . удара с точки зрения своев настуnаюшей оnас- :~т;;:~:::е~ео:т:, а о своевре;р:~~;~;:~:~:::идля предотврашения ности с тем, что onac;~~:: бы принять м ния rорнотектоническоrо у дара . в 1991 r. на Ce0 ~~:~:яеН:иеи интереснь~t ~f~~~~;~,е;;:~: оnасном по гор~ ii: нике (шахта J•O области сочлене веро-Уральско~ массива пород, расположен но~: rеодинамическим ным ударам ~а;ектонических разломов, выяв~е~~:ерхности скважина ния активны обурена с зем нои " Д я величе- районир_?~~~и:;~яб~~~~;~вления гидроразрыв~т:~~о:;·~е ;лJне обраглуб~нр:~мистости воды в скважин_?' ноа ;в~х ния зованы разrрузочны е шели длинои n · 1:: ажины было определено * Место бурения скв ого районирования результатов геодинамическ 208 осушествления гидро" с учетом Им Батугинои . . разрыва пород в скважину была закачена смесь из песка. Гидроразрыв произошел при давлении 150 320 атм. м 3 воды и 6 м3 В результате гид роразрыва сейсмичность в опасном районе на период свыше года рез ко снизилась как по количеству импульсов, так и по их энергетичес кому классу, горные ,удары не имели места. Это дало возможность поставить реальную задачу о необходимости перехода к управлению rеомеханическим состоянием массива горных пород на всех глубоких шахтах (а не только опасных по динамическим явлениям), что обеспечит ведение горных работ как бы на глубинах, в два-три раза меньших достигнутых, со всеми вытекающими отсюда положительными последствиями. Краткое рассмотрение энергетических особенностей геодинами ческих явлений типа горных ударов и выбросов показывает, что их основным признаком является наличие притока энергии извне: без притока энергии извне динамическое явление не может произойти. Это касается всех известных к настоящему времени динамических и, даже шире, - геодинамических явлений, происходящих вообще в блочном горном массиве. Выявленная авторами закономерность толчкообразного дефор мирования и разрушения блочного горного массива, характеризую щаяся коэффициентом динамичности Кд, имеет всеобщий характер*. Наличие выявленной закономерности подтверждается лабораторными исследованиями механических свойств горных пород на обычных и жестких прессах, натурными геофизическими наблюдениями при разработке многих угольных и рудных месторождений , результатами решения проблемы прогноза и предотвращения горных ударов, выпол ненных под руководством института ВНИМИ за последние 30-40 лет. 9.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСИИХ ЯВЛЕНИЙ Классификация динамических явлений может быть создана на основе энергетической теории горных ударов, энергетически-силовой теории выбросов угля, породы и газа, положений геодинамики недр и с учетом мирового опыта ведения горных и др. работ в условиях проявления геодинамической опасности. Приведем пример создания Международной классификации ЕЭК динамическ их явлений применительно к угольным шахтам. Эта клас сификаци я разработана специальной комиссией, созданной Рабочей * Заявка на открытие (авторы: И.М.Петухов, Е.В.Лодус, И.М.Батугина, В.А.Смирнов) 209 группой по углю Европейской экономической комиссией ООН*. В ос нову этой классификации положены подходы, принятые в России. В классификации выделяются четыре класса явлений: горные удары, выбросы газа, выбросы угля (породы) и газа, rорнотектонические явления (рис.удары 9.5). относятся динамические явления, в баланс К классу горные Динамические явления в угольных шахтах Виды энергии, участвующие в ф ормировант динамическrх явлений 1 1 Энергия напряженных Энергия напряженных Энергия угля и пород, газа, сейсмических угля и пород, газа Энергия газа угля и пород энергии которых входит энергия, накопленная самим разрушающимся элементом массива горных пород (в _данном случае -уголь) и энергия, накопленная окружающими породами. При этом горные удары воз никают на участках массива, находящихся в предельно напряженном состоянии, в условиях, когда скорость изменения этого состояния 1 l Класlы динамических явlлений Горные удары Выбросы газа превышает напряжений. К классускорость выбросырелаксации газа относятся динамические явления, связанные с внезапным выделением газа через трещины и полости или из зон тек тонических нарушений, вскрытых скважиной, или горной выработкой. К классу выбросы угля (породы) и газа относятся динамические явления, в баланс энергии которых входит упругая энергия угля, пород и газа . При этом имеется в виду, что послойное разрушение угля (породы) происходит под совместным воздействием горного и газового давлений, а разрушенный материал выносится за счет энергии расширяющегося газа. К классу горнотектонические явления отнесены такие динамические явления, в формировании которых, кроме указанных выше видов энергии, участвует энергия сейсмических волн, выделяющаяся при толчкообразном деформировании массива горных пород. Именно до бавка этой энергии приводит в опасных местах к потере устойчивости Рис. энергии толчка. Горнотектонический удар отличается повышенной ин тенсивностью, проявляется обычно одновременно в нескольких горных выработках шахты или даже соседних шахт. Характер разрушения вы работок (целиков) и поражающего действия такой же, как и при обыч ных горных ударах, но может проявляться более интенсивно. Динамические явления на газовых пластах угля часто носят комбинированный характер. Основным признаком, по которому определяется * Состав комиссии: И.М.Петухов (председатель) , Я .А.Бич , О .И.Хмара (Росси,), А. И. Боброе (УкР"ина), Р.Коноn ко (Понsша), З. Раковски (ЧехИ'), Х .Г.Ханекман , Г.Хиндерфельд (Германия) . 210 Выбросы угля lорнотектонические !породы) и газа явления Кла ссификация динамических явленииv класс динамического явлени в шахтах . я в этих случаях являет nрий:" м выбросу ~:~у;~~;;:;:1~ енсивность динамическ (поро;ы) rазо':, "0",;:,:~;л::: :';;',, . ных выработках показателям (к;:;е~лиеян:)йприведена по регистрируемым в гор в табл. 9. 1. Таблица 9.1 Интенсивность динамич еских явлений Горные удары на сейсмической энергии повышает энерrозапас на системе в большей расrает по сравнению с обычным ударом, не инициированным волной 9.5. отсутствие выноса массива пород и вызывает проявление горного удара или выброса. Вол степени, чем увеличивает энергопотребление разрушаемого элемента. Поэтому катастрофичность проявления горнотектоническоrо удара воз волн 1 Класс . Выбросы - Вес разрушаемо Вес разрушаемо- Объем выбро- го угля (породы) го угля (породы) шенного газа Р,кН Р,кН < 50 < 100 < 100 100 - 2 ООО 2 000 - 20 ООО > 20 ООО 100 - 1 ООО l 000 - 10 ООО > 10 ООО V, м3 Слабые Средние Сильные l Катастрофич. 50 - l ООО - 10 ООО > 10 ООО ООО - Р ечание . Пр и 1'JJacпим . использовании к со1'и~ :~~~соса принимают по тому к~:::~:: ,п~оторыи весу у~лядает и объему более газа вы- пре длагаемой классифика МожПользуясь но сформулировать . основные циеи явлений , принципы динамических и подходы к рассмотреV 211 Прорывы плотин нию nроисщедщих случаев явnений, определению круrа мер профи· лактики на будущее и стеnеии ответственности rорняков за допущен· ные случаи опасных динамически• явлений. Целесообразно выделять во всек nроискодя щик в щактак динамическ ик явлениях микроявления Это позволит, с одной стороны, леrализовать часто возникающие мел· кие явления, которые обычно скрьшают от контролирующих орrаниза· циi\, а с дpyroi\ стороны - своевременно обратить внимание для раз· работки мер по снижению их интенсивности и числа. Здесь можно воспользовоrЬСЯ опытом, накопленным на протяжении 40 леr, при рещеиии проблемы rорнык ударов в странах СНГ. Случаи стреляиий, толчков, микроударов, не представляющих опасности для здоровья, жизни людей и не вь.зывающик нарушения технолоrическик процессов и нормальной эксплуатации выработок, лищь систематизи· руются и изучаются для принятия nрофилаюическик мер по сиижеиию ик интеисивносrи и числа. остальиые же случаи rорнык ударов тuu«ель· но расследуются комиссией с целъю недопущения подобнь>' аварий. При расследовании случаев динамических явлений иеобкодимо руководствова'fЬСЯ разделением и, на классы в соответствии с табл. 9.1 и требоваииями, установленными законодательством страны, на шахтах произошли динамические Прикоторой расследовании случаев, nриведщикявления. к травмированию людей, ик класс, on ределеи н ый по табл. 9. 1, увеличивается на еди и ицу. Случаи динамически• явлений должны реrистрироваться no сое· циальной анкете, форма и содержание которой моrут устанавливаться в каждой стране, и должны бь1ть включены в банк даниык на эвм. Рассм,триваемая классификаци• может nоnолн,тьс•. во-первых, в части расщиреиия и уточнения систематизации явлений внутри выделенных видов; во-.горык, в части, касающейся введения систе· матизации явлений по месту ик возиикновения, по видам и карактеру технолоrическик процессов, ори которык они nроискодят (сотря· сательное взрывание, автоматизированное управление добычными и проходческими машинами и др.) . Блочная струк-rура месторождения и место, характеризующее тип, размеры и условия расположения той или иной выработки, в которой nроискодит динамическое явление, как правило, оnределnют интеи· сивность, характер и знерrетические особенности ,вления и nотомУ должны участвовать в анализе nроисщедшеrо явлен••· Это относите• в еще большей степени к rориотектоиическим ,влениям, включая И техногенные землетрясения. Рис. 9.6. Энерrе,ически-силовая классификация rеодинамиче«•' явлений 212 Из замннутого пространства при сдвижении (обрушении) пород Из свободного пространства при сдвижении (обрушении) пород Q) а, ,:s :s :с ф с:: 1D о: >< :s :,: u ф :с с; а::1 се LI.I :s: ::с а, а, :s :s :s ..., с:: ф а. :s а... t; ,:s; а ::t: :::r а 53 ,:s; а (.) LI.I ф ::t: :s: 1D :s; :т :; < :,: 1= ~ :с :;: 2f 1D :s: .... LI.I с:: ф :s 3' !i! > 1D ,_ ...,u :т > :i 2: а. со 5: <t со :а ~ со :s; <t С'? е: c:::t а а... а с:: о: ф :s; :с L... :а ::t: :s "' ., c:t а::1 а... u.J Землетрясения :х: t.J а. е ~ ::с > а... = ...,., :,: ~ С'? Q) :s: с а :с Е "' ::;; ::;; ::t: u.J с LI.I ,:s; u.J c:t :s: :а а... а ::с :т :s се t.J t.J :\: ..., :s Из свободного пространства :s: Q) :т :s :,: ,_ о с :х: :х: i.!!! о с:: =:s: о: ,_ а, Выделение газов, растворов и др. Оползни Перемещения Деформации t.J ,:s: Q) <:t о ::;; :s: "' :s: .... (') а, о:: а. Q) :,: "' х :а :,: :,: Q) :е (') "' о:: "' .... с: :s: а. ~ ~ о:: :s: .... а. о с: а. Q) :,: Выбросы соли и газа "' "' Выбросы угля и газа (') ~ о:: :s .... Выбросы газа а. Q) :,: "' с ля ы х :а :,: :,: :а Q) а. :е ~~ с: "' :,: а. о с: "' ~ Q) :а Горные удар ы в почве выработок (кровли) Горные удары :,: а. '° Ст еляния Толчки 213 б атить внимание на на личие всесторонних связей техногенных толч- Следует также о рй проявления естественных и ючая техногенные и взаимозависи~~с:е массиве горных пород , в~ахтах и рудниках. В ков (сотрясении нотектонические явления в могут привести к землетрясения, roJx последние , в свою очере::~ия массива горных некоторых случа лчкообразноrо деформиро женное состояние. интенсификации то ех.ода его в предельно напря их классификаций пород в областях. пер и опыт создания предыдущ бширная классиУчитывая подходыv ниже предлагается более о одинамических их явлении, все виды re инамическ по возможности, иv поверхности д иняющая, р и земно д б ф икация, о ъеречающиеся при освоении нед явлении, вст V (рис . 9 .6). V классификации необходимо с V Классы rеодинам ого взаимодействия природ в местах их про степенью энерrетическ формированного состояния яженно-де Сила и характер . теризуются . степенью приро реализации rеоди намическ ого явления харакV дной напряженности участка земнои циональной отношению коры в общем ' глубины распростра- лше литосферы; случае, обратно пропноорнапряженноrо состояния к тноа горный массив нения зоны пред ель ю техногенного возд ействия б танных пространств, интенсивность рость образования выра ~ и продуктивны~ (глубина, объем и ск~ранстве и времени отра отк соотношение в прос пластов и пр .). мирования масси· «оживляют» процессы дефор м состоянии, т. е. Планетарные силы ся в предельно напряженно ная оценка може'f вов пород, находя~~лятора.·поэтому их непреры: с учетом места " выполняют роль сти у rеодинамических. явлени способствовать прогноз фактора времени . 10. УПРАВЛЕНИЕ ГЕОДИ НАМИЧЕСК ИМ СО СТОЯ НИЕМ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОС ВОЕНИИ НЕДР И ЗЕМНОЙ ПО ВЕРХНОСТИ делать некоторые К приведеннои нерrией в блочт обмена э замечания. ские явления есть результа руюшеrося (разрушаюГеодинамиче земной коры, деформи ющеrо предельн о ном горном массиве уществующеrо или возника условиях. с щеrося ) в остояния . еляются характером ~ напряженного с ических явлении опред ной и техноrеннои систем напр явления . !iтава 10.1. ПОСТАНОВКА ВОПРОСА Основой постановки вопроса об управлении rеодинамическим сос тоянием массива горных пород явились результаты широких комплекс ных исследований, выполненных под руководством ВНИМИ за пос ледние пятьдесят лет в процессе решения проблем прогноза и предот вращения горных ударов, внезапных выбросов угля, породы и газа при разработке угольных, рудных и нерудных месторождений России, Ук раины, Казахстана, Узбекистана, Кырrызстана и Грузии. Результаты этих исследований позволили достаточно основательно изучить вопросы деформирования и разрушения массива горных пород при технологическом воздействии на нег На завершающем этапе этих комплексных исследований с привлечением многих данных наук о Земле стало возможным создание метода rеодинамическоrо райониро вания недр (см . главу 7). Оценка, прогноз и контроль геодинамичес коrо состояния массива горных пород с помощью этого метода откры ли реальную возможность постановки задачи управления массивом. Решение проблемы целенаправленного управления массивом горных пород позволяет, в свою очередь, добl-iваться кардинального повышения безопасности, экономичности и экологической чистоты освоения недр и земной поверхности. Освещение вопросов управления состоянием массива приводится во многих научных работах, в том числе (37, 50 и др.]. Выполнение этих крупных исследований стало возможным в результате сотрудничества ВНИМИ с научно-исследовательскими , отраслевыми, учебными и академическими организациями. Полнота и успешность этих исследований были бы недостаточными, если бы в 215 них не участвовали производственные организации горнодобывающих отраслей и Госrортехнадзора России. Рассмотрим отдельные направления решения этой проблемы в различных отраслях освоения недр и земной поверхности. 10.2. ПРИ РАЗРАБОТКЕ ТВЕРЦЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ 10.2.1. Реrионаnьное управnение rорным и rазовым давnением . Наибольший опыт по управлению rеодинамическим состоянием массива горных пород при разработке твердых полезных ископаемых получен на угольных шахтах. Это объясняется тем, что угольная про мышленность с увеличением глубины разработки раньше других отра слей столкнулась с такими крупными проблемами, как горные удары, внезапные выбросы угля, породы и газа, высокая газоносность уголь ных пластов, большие осложнения в поддержании горных выработок. Поэтому целесообразно ниже остановиться rлавным образом на опыте угольных шахт, по необходимости обращая внимание на значение рас сматриваемых вопросов для предприятий рудных и нерудных месОдним из главных факторов, постоянно действующих на экономи- торождений. ческие показатели работы шахт и безопасность ведения горных работ в плане их снижения, является возрастающая глубина разработки. Рост глубины разработки прежде всего усиливает вредное влияние горного и газового давления на всю технологию горного производства. Таблица 10.1 Рост глубины разработки уrля Средняя глубина, м Бассейн, месторождение Донецкий Кузнецкий Карагандинский Печорский кизеловский Ткибульское Шурабское В среднем 216 1951 r. 1991 r. 238 138 179 183 289 75 222 188 650 350 420 530 700 735 350 517 Увеличение, \ число раз 2,7 2,5 2,3 2,9 2,4 9,8 1,6 2,8 _,217 Таблица С начала 1950-х годов средняя глубина разработки угольных плас тов увеличилась с 188 до 517 м, т. е. Результаты дегазации крутых надраб атываемых в 2,3 раза (табл. 10.1), а максимальная - с 800 до 1307 м. В настоящее время на 35 шахтах г t:::: :>-. ; Шахта выбросам, возросло с 41 до 149 (в жающей отработки защитного пласта (средний) с последующей искусственной дегазацией опасных пластов: 1 - зона разгрузки; 2 - защищенная зона после отработки защитного пласта и искусственной дегаза ции; 3 - защищенная зона после отработки защитного пласта о ..... м :s: :;:: s о о. С<$ ~ 980 830 850 860 м им. Артема тз 3,5 раза), а опасных по горным уд арам - с 9 до 91 (в 10 раз). Средне то 4 им. Гагарина 1"4 15 « Комсомолец» тз суточная нагрузка на комплексно то 4 им. Гаевого 1"4 15 механизированный очистной забой, i 1973 по 1987 r. на 35%. следствий отрицательного влияния перечисленных осложнений на ра3 пользования метана возрос с 7 ,3 млн. м в 1955 r. до 114 млн. м в Одним из достижений является создание и широкое внедрение комплекса региональных мер по управлению горным и газовым давлением на удара- и выбросоопасных шахтах России, Украины, Казахстана (головной институт - ВНИМИ). Указанный комплекс 1990 r. включает в себя опережающую отработку защитных пластов, дега зацию пластов в разгруженных зонах и региональную rидроотработку На рис. 10.1 приведена схема наиболее рационального использова- опасных пластов. ния защитных пластов прйменительно к одной из шахт Центрального района Донбасса. Первыми в свитах отрабатываются защитные плас ты. Причем если защитный пласт является верхним, то его опережаю щую отработку достаточно вести только в пределах действующего гори зонта. Если защитный пласт залегает внизу свиты, то для полноты за щиты он должен отрабатываться с опережением на горизонт. s о ~ ::i: s t:::: ~ <!) ..... ..... u u ,:s: м ..о ~ ..... о.:' ~ u о ::i: :s: с:: ,[sj ..о :i ~ С<$ !:: ~ ..... <!) t::[ 01 43 44 47 49 Метаноносность, мз/т ..... <!) 27 27 28 20 ..о с:: <!) с,: :;:: :,: :;:: ..... о \О С<$ <!) с,: 01 С<$ о 0,6 0,6 0,55 0,28 ..... о \О С<$ :s: :s: о. ::i: <!) <!) :s: 5 u ..... <!) t:::: t:::: t:::: :s: 01 о о. о. s о. :s: :,: ~ ::r :z: ~ ::i: [;; ..... ~ g :,: ..... о :;:: ~ пластов 01 С<$ о 13,7 9 12 8,3 14,3 8,6 15,6 10,2 с,: С<$ :z: u С<$ t:::: С<$ с:: о о м 01 6,8 5,7 6,3 6,9 <!) \О 6,8 6,8 7,2 8 Таблица 1О. З ударо- и выбросоо:ае::ональноrо увлажнения Благодаря усилиям горной нау ки и промышленности, за послед ние десятилетия предприняты серь езные шаги для преодоления по :z: :;:: С<$ ..о ..... о ::i: 1 м :;:: ~ u С<$ Типовые параметры например, на Украине снизилась с боту шахт. Успешно решаются вопросы дегазации газоносных угольных пластов (головной институт - ИГД им. А.А.Скочинскоrо). Объем ис 3 218 ::i: ::i: u С<$ t:::: Число шахт, опасных по внезапным ,.: :а :а ::i: личилось за этот период в 2,7 раза и достигло 66% общего их числа. ~ ,:s: ,:s: о ..... о с:: сверхкатеrорных по газу шахт уве Рис. 10.2. Зоны влияния опере С<$ ' отрабатываются пласты на глубинах более 1000 м. В результате число 3 u Пласт 1О. 2 ых угольных пластов Месторождение, район Основные Прокопьев- параметры ско-Киселев- Ткибули- Воркутин- Центральный ский р-н Шаорское ское р-н Донбасса 700-800 700 30 3-4 0,5-1,5 4-8 10-15 4-6 3-8 20-30 30-50 20 20 - 10-20 До 50-70 30-50 20-40 15-20 50-100 40-60 30-40 15-30 2000-4000 1000-3000 500-1500 30-50 Кузбасса Глубина разработ- 100 400 . 700-1000 ки, м м ощность п ористость п, н орма ния До т, м % увлажне- N, 15 До л/т д авление нагнета- 30 - нияР, МПа р адиус влияния скважины Ра сстояние R, м между скважинами L,м Об ъем закачки в с кважину V, мз Достигнутые объемы внедрения региональных мер на ударо- и г-,-, г----, г--г, 1 1 1 \ \ 66 \ 1 1 1 1 1 1 1 1 \ \ 1 1 8Z \ 1 1 1 1 1 1 1 выбросоопасных угольных пластах по бассейнам и месторождениям \ 1 1 1 1 79 представлены на схеме рис . \ \ 10.3 (по состоянию на 1990 r.). На том же рисунке отражены и возможные перспективы дальнейшего внедрения этоrо комплекса мер . Далеко не полное внедрение комплекса мер регионального управ 1 ления массивом в основных бассейнах и на месторождениях страны, наряду с применением локальных мер. позволило добиться сущест 1 венного снижения числа опасных внезапных выбросов и горных ударов \ 3'+ соответственно в 10 и 15 раз . На угольных пластах , rде применялись региональные меры, этих явлений не происходило. Управление горным и газовым давлением, теоретически обосно ванное и практически освоенное пока применительно к разработке ударо- и выбросоопасных пластов должно осуществляться, вообще, на ,;::, о всех глубоких шахтах 1~~""~ разработки на период к t·g~ ~Q.& Рис. 750-800 ~1~Z 10 · 3· Объемы внедрения р росоопасных пластах: 1 - достигнутое в настоящее в внедрении Расстояние защитного деи u ремя· 2 - ожидаемое при последу ющем ствия можно с ущественно увеличить, ec- скусственной дегазации в раио u не ли защищаемый пласт подверrн~ть: итноrо пласта (рис. 10.2). азrрузки, вызванной отработкои ~а~а аметрах защитного действия, р Не останавливаясь подробно /узки и реrиональноrо увлаж искусственной дегазации в зона~~~~Jх работах [28, 30, 35 и др .), нения пластов, описанных во о эти параметры чрезвычайно сильно об атим внимание лишь на то, чт ий залегания, строения и физико за~исят от rорно-rеолоrических усл~~ом в каждом конкретном случае механических свойств пластов, а :п едiлению . Различие параметров подлежат квалифицированному ио~альноrо увлажнения видно, на влажнение опасных пластов пр отtетим также, что реrиональн~: ~ тех случаях, коrда все пласты особенно полезно и может применятье на шахтах Ткибули-Шаорскоrо , в свите являются опасными. Напр:;н~~ие удароопасных пластов наш~ месторождения региональное увл лило ликвидировать весьма опас о широкое применение, что позво и отдельных наиболее круп- :ые rорнотектонические удары , коrд~;gазрушение rорных выработок ных из них происходило одновременн на соседних шахтах . 220 80-90% угольных плас тов будут разрабатываться как бы на глубинах, в два-четыре раза мень ших, чем фактически достигнутые, со всеми вытекающими отсюда положительными последствиями: увеличение утилизации газа в не сколько раз, успешная борьба с динамическими явлениями, пожарами , искусственной дегазации и per име из табл. 10.2 и 10.3. м. В результате внедрения разработанных схем может быть создана реальная возможность того, что около аро- и выб еrиональных мер на у д . [45, 50), учитывая, что максимальная глубина 2000 r. возрастет до 1600 м при средней глубине и запыленностью горных выработок, облегчение поддержания вырабо ток и управления кровлей в лавах. В конечном счете это позволит существенно поднять рентабельность работы горных предприятий. То обстоятельство, что идея о региональном управлении горным и газовым давлением, впрочем, так ~е как и о бесцеликовом под держании выработок, возникла сначала применительно к шахтам, опасным по динамическим явлениям, не должно удивлять: это про изошло естественно, так как именно на этих шахтах трудности воз никли раньше и поэтому горной науке и практике в первую очередь з десь пришлось искать и энергично осваивать неординарные ра дикальные решения . 10.2.2. Поддержание горных выработок в разгруженных зонах Как известно, охрана горных выработок от вредного проявления горного давления производилась с помощью целиков угля соот ветствующих размеров. Размеры целиков по мере роста глубины разработки увеличивались. Однако на глубоких шахтах еще в начале 1950-х годов горняки К изеловского бассейна столкнулись с таким положением, когда целики 221 зо ны опорного давления и потому возникли большие осложнения с его поддержанием. На пластах, опаснь1х по горным ударам, возникла возможность разрушения штрека горными ударами главным образом в результате разрушения надштрекового целика. Придерживаясь ранее установившейся традиции, можно было бы, конечно, увеличить раз меры целика и в этом случае расположить штрек за пределами опор ного давления (положение II). Тогда размеры целика должны опреде л яться с учетом графика, приведенного на рис. Рис. J0.4. Схемы к теореическому обоснованию pacт положения р аботки горнои v н ия Наиболее удачное расположение штрека оказывается на границе с вы выработанным пространством (положение попадает в зону разгрузки (рис. Петухов, (им · · 1956 (27]): J и 2 - зоны на [38], ' расположения соображений . По нижней стенке штрека податливость должна быть штреков Способ охраны выработок с помощью оставлени пород 10% мощности пласта. ловскоrо бассейна. По этой же схеме в некоторых случаях поддер живаются и наклонные выработки, проведенные по угольному пласту. я около них ьших глубинах. см/м плюс с начала 1950-х годов на всех удароопасных угольных пластах Кизе целиков исчеrпал себя. ~озн~~;;,;,:;:ания горных выработок для усб 4-5 Бесцеликовая схема поддержания горных выработок применяется тложная задача изыскания прин- ьно новых спосо ов 10% мощности угольного пласта. По верхней стен ке необходимая податливость определяется из расчета сближения ем надштрековых целиков. точки зрения безопасности д необходимая податливость может быть рассчитана из следующих равна приблизительно одновременно на десятках метрол~ горняков, так и для нормально р штрек, 1 JI и III - возможные места ;;:::~:;:~~;:::.у:~;:т~к~~,:~1;,:::~::::~,:~~С:~~:~:~:и:.~ аботы шахт. III не представляет крепь в штреке в этом случае должна иметь достаточную податливость. перестали обеспечивать надежну~луч~х заваливались в результате с где штрек фактически Как установлено из опыта, например, шахт Кизеловскоrо бассейна ох ану выработок: выработки ми овались, а в некоторых III), б). В положении о пасности с точки зрения проявления горных ударов. Понятно, что ~~льших и малых глубинах; 1 10.4, оказавшись за пределами зоны опорного давления, опорного дав- соответственно что крайне увели является неприемлемым. на границе с краем пласта угля 3 .1, чит потери угля, вызовет большие технические неудобства и потому . ~~~:~лразработки угольных пла~:~:::я со:особ поддержания горных н аиболее рациональным о В работе [38] был сделан вывод о том, что при дальнейшем возрас тани и глубины горных работ целесообразно перейти к поддержанию горн ых выработок без целиков на всех пластах независимо от их а практи выработок без целиков. получил теоретическое обоснование иий шахт Этот способ впервые в промышле нных масштабах для услов ческое внедрение з абатывающих пологие, овскоrо бассеина, ра р наклонные и V Кизел е пласты (38]. ка целиком 10 4 (38]. При поддержании штре а ширина Обратимся к рис . ебольших глубинах, коrд (положение I на рис. 10.4, а) на н евышала размеры целика, целик крутые удароопасны ~:}:ifт::;::~;:;:г;;~~~~~~;.:~~=::f::~~:.;5::::iE:: достигать 222 n 50 - 70 м и более, штрек . Рис. 10.5. Схема отработки пласта « Б» на шахте № 8 Шураб ского месторождения: а - с целиками; б - без целиков 223 крепления выработок п и в этих вопросах бесцеликовом их по лишь на необхо:ин:гоер сделано. Следовало~:;:~нии, отметив, что добычи уrля вт ость большоrо раслрост ратить внимание теоретическ~ об~~и:исле на крутые уrольны~а:;:,ия бесцеликовой ловского бассеиvн а ещевано как это Кбыло в наи широко применял ось ты, на ша а,м.1ч1 Т 300 Рис. JQ.6. Рост до бычи yrnя Q по бес 200 цеnиковой схеме: 1 - общая подзем 100 ная добыча; 2 - с уда1990 рооnасных пластов о 1980 1950 1970 !98fJ. мощности, уrла наклона, состава вмещающих пород. При этом име лось в виду, что это mиосится ко всем шахтам, отрабаrывающим как ударооnасные, так и неударооnасные угольные пласты. Заслуживает внимания способ поддержания горных выработок с помощью неударооnасньrх целиков на шахте «Центральная» в Воркуте. Щирииа целиков в таких случаях должна быть равна мощности пласта плюс 1-2 м: -с.кие целики леrко деформируются и теряют возможность разрушаться в формек горного Применительно переходуудара. на бесцеликовое поддержание rорных выработок при отрабmке мощноrо удароопасноrо пласта уrля ин тересен опыт шахты № 8 Щурабскоrо месторождения (рис. 10.5), осуществленный под руководством ВНИМИ и УПЛ. После перехода на бесцели,овую отработку успешно решились вопросы ка, борьбы с rорными ударами, так и с и,лишними потерями уrля и эндоrенными С конца 1950-х годов и начала 1960-х годов бесцеnиковую схему поддержания rориых выработо, сrали применять во всех бассейнах и месторождениях России, Украины, Казахстана при разработке полоrих уrольных пласrов. Научное руководство ло лереходу на бесцели,овое поддержание выработок осуществnяnось ВНИМИ*. К началу горных 1990-х rодов с применением бесцели,овой схемы добы· валось до 76% уrля иа шахтах России, Казахстана, Украины и др" в том числе на всех шахтах, разрабатывающих удароопасные пласты (рис.Большой 10.6). опыт повсеместного перехода на бесцеnиковую добычу пожарами. уrля на шахтах СНГ достаточно полно освещен во мноrих работах (например, [23]). Поэтому здесь не будем касаться особенностей На удароопасных. пластах - И.М.Петух.ов, Б.Ul.Винокур, А.А.Филинков и др.• на остальны, власта> - Н.П.Бажин, В.В.Райский, Л.К.Нейман и др• * 224 Поддержание чале 1950-х годов [38) rорных вы б . ничиваетсятак:~ сп б ом бесцеликовой ра отоквыемкир~;енных в разг относятся хтах изе- зонах не оrра- личиоrо иазиачен::~rочисленные случаи ~о,,;::;аниым выше. Сюда разrрузки, проведен:частичной иадработкой их с ~;ания камер раз разrрузки [481 е и поддержан не пол разованием зоны выработок по ~:,бтом числе безопасное пpi:l: выработок в зонах надработанных ра росоопасным песчаникам в Д н~е и поддержание Кроме бес нее угольными пластами он ассе на участках целиковой выемки угольных · поддержания горных в пласт ' средством располож ыработок в зонах разгрузки ов, обеспечение зонах, а также об ения выработок в надработ осуществляется по щелей различнь1хрразования в окружающем мананых (подработанных) азмеров и ф ссиве гор Не останавливаяс кон иrурации [38 50] ных пород горной практики воп росе, ь подробно на хорош этом оче~ь э ффективном . работах рассм отрим достаточно для ' в ка о освеще ное состояние r честве примера ел чай нном во многих веро-Уральскоrорl~~людскоrо ствола шаХ:ы .;:;~~ения в безопас проходки начались кситовоrо рудника. В указание° альииская• Се шенно неприrод рупные горные удары чт . м стволе после его диаметром 9 м ::1: к дальнейшей экспл;ата~~;елало ствол совер- толщиной приблизитель ротяжении около 200 б . В сстенках ствола щелей было выб ано но 10 см и rJtубинойм поыли 2 деланы щели пендикулярна на~ра таким образом, чтобы их п м. Направление жения в массиве Пвлению действия максима лоскость была пер приствольной зо~ы осле выполнения указанн:ь;оrо rлав~ого напря стволе полностью пород от высоких напряжен ~елевои разгрузки эксплуатации [50] . прекратились, и он стал при годным ии горные удары в к безопасной 10.2.З. Управление безопасност ью и энергоемкостью разру горных пород п шения редставляет значи отработки поле::;;~ состоянием массива ,::~~,:асающнйся управ- ления напряже тельныи интерес воп V для повышения без опасности ископаемого или проведени я горных пород ввыработок процессе и эффекти вности ведения работ. машины (комбайна, врубовой машины, бурового снаряда и др.) и 1 г скорости внедрения. Поэтому, выбирая эти параметры, можно, с одной стороны, предотвратить хрупкое разрушение , скажем, угольного пласта в форме опасного горного удара, а с другой - добиться снижения конструктивного показателя измельчения угля, энергоемкости разру шения и металлоемкости применяемой добычной машины. Много численные шахтные исследования, проведенные в очистных забоях шахт Кизеловского, Донецкого, Печорского бассейнов, подтвердили эти основные положения по использованию упругой энергии. В Кизе ловском и других бассейнах систематически работали свыше десятка лав на режиме управляемого хрупкого разрушения угля при работе комбайнов с регулированием скорости подачи. В настоящее время выполняются работы по созданию автомати зированной системы управления скоростью добычной машины (ком Рис. 10. 7. Схема уста новки канатной пилы: 1 - лебедка ЛУ-16; 2 ат· 3 - направляюка Н ' 1ая щий блок; поду 4- пород• шка ,. 5 _ кусты; 6 - накатник о го ных породах в маср тном материале, Вначале господс:в~орной выработке, как об инер получаемые, как сиве, прилегающе~нные характеристики прочнос;;~х характеристик, 6 вало представление имеющем определ ных условиях. Исходя из определялись хар женности пород в месте о оду при ее раз правило, в лабор::~~р и усилия воздействия н:;осiходимоrо ее разрушении. Степень напря е принималась. ставления стали ме рушения в расчет :ачала 1950-х годов эти предвнедрения, особенн~ Одн~о уж:~ь что горные породы в ~ес~~~ьшие запасы упругои казал ' х накапливают в се е шении. Величина на больших глубин:е~ременно участвует в разр:недрения режущего няться. энерrи~, которая степень ее участия в процессе ет при желании регу упругои энергии, азрушающеrо механизма мо~от и повышения их органа и другого р лироваться д ля обеспече ния безопасности ра 501 ние в открытии эффективности (37' д~тавления получили отраже овиях» (Диплом В 1988 г. эти пре ть разрушения по род в подземных усл «Закономерное сь в 3 .1. нь влияния No 337), о котором {01в~::л;ис. 3.1 и 3.2), величина и::::\ угольный Как следует из . пл~вающейся в местах внедр вата добычной упругой энергии, нака с увеличением ширины зах пласт, резко возрастает 226 байна) на базе непрерывной регистрации степени участия хрупкого разрушения в процессе выемки угля по показателям сейсмоакустичес кой эмиссии и вибрации корпуса комбайна. Для выемки угля на крутых пластах, склонных к хрупкому разру шению, разработаны: способ выемки и конструкция канатной пилы с тонким режущим органом (рис. 10.7 и 10.8), образующим в пласте щель высотой 30-90 мм [8] . Вызываемые в процессе работы канатной пилы толчки и микроудары завершают разрушение пласта на полную мощность вне зависимости от его мощности. Канатная пила с тонким режущим органом конструкции И.М.Петухова и А.А.Панькова стала применяться в Кизеловском бассейне с 1959 r. [37], а затем и в других бассейнах страны. Опытные работы по выемке угл~ канатными пилами успешно 1959-1961 rr. более, чем на 40 крутых шахтопластах, имеющих мощность до 10-12 м, различных выполнены под руководством ВНИМИ в угольных месторождений России, Украины, Киргизии. Эти работы а )±- ➔ • ~ о ~ ~ ~ 6 * t: ►fr, * Рис. 10.8. Режущий орган, набранный фрезами типов : а - двойная одностороннего действия со смещенными зубками второго ряда; б - двустороннего действия; в - одностороннего действия 227 Сучанскоrо месторождения и др.). При мягких углях и невысоком lf уровне напряжений отставание обрушения забоя от режущего органа может достигать 5-6 м (см. рис. 10.10). Анализируя опыт использова ния канатных пил, можно считать экспериментально доказанным для большого диапазона строения и условий залегания крутых угольных пластов, что разрушение от одной узкой щели будет тем интенсивнее, чем больше угол наклона пласта, его мощность, глубина разработки, трещиноватость и слоистость пласта угля, а также чем опаснее пласт по горным ударам и внезапным выбросам . Механическому разруше нию (дроблению, истиранию) при использовании канатной пилы подвергается лишь 1-6% мощности пласта, тогда как при комбайновой 20-80% пласта выемке непосредственному разрушению подвергается по мощности. Таким образом снижение энергоемкости разрушения до стигается при применении канатной пилы в 8-10 раз. При горно-экспериментальных работах в период помощью канатных пил было добыто свыше 1,5 1959-1961 rr. с млн. тонн угля. Опытные работы с применением экспериментальных образцов обо рудования проведены на крутых пластах мощностью от 0,5 до 6,5 ми выше в основных бассейнах и месторождениях страны. Дальнейшие работы по применению этого способа выемки угля были приоста новлены на период создания специального оборудования. Для этого были составлены научно обоснованные технические условия на разра ботку конструкции установки канатной пилы для комплексной меха низации выемки крутых пластов*. К сожалению, проектно-конструк торскими организациями работы по созданию оборудования не были выполнены и угольная промышленность до сих пор не использует этот эффективный, малоэнерrоемкий и дешевый способ выемки угля, имеющий достаточно большую область применения. Идея по использованию энергии горного давления была применена позднее при совершенствовании проведения выработок комбайнами по выбросоопасным песчаникам в Донбассе с участием ИГТМ АН УССР (Ф.А.Абрамов, А.И.Зорин и др.). На рис. 10.11 приведены экспериментальные кривые (J-5), харак теризующие удельные энергозатраты по разрушению пород при ре гулировании скорости подачи в пределах конструктивного диапазона рабочих скоростей комбайнов: 1- шахта им. А.А.Скочинскоrо, комбайн «Ясиноватец -2» с полу сферическим рабочим органом, глубина от земной поверхности 55- 70° ния слабонапряже Рис. иных пластов угля: 1 3 _ после- ]О 10. Характер разруше . б - на шахте № 75; · No 62 «Восточная », а - на шахте угольного пласта зруwения довательность ра 228 - 70-00° - * Технические условия на разработку конструкции установок канатных nил для комплексной механизации выемки крутых пластов. ВНИМИ , Л., 1961, 17с . 229 напряжений массива горных пород для интенсификации процесса Рис. рости r<,6'1'•Ч 1о 11. влияние ско- у на удель- · nроходки ные энергозатраты руwению пород w,-;;r разрушения пород. Рекомендации позволяют определить рациональ ные режимы разрушения горных пород, включая скорость подачи на W по раз- забой в зависимости от степени напряженности пород. При проведении выработок в сложных горно-геологических усло виях, в том числе в выбросоопасных породах, нельзя безгранично 11 увеличивать поток энергии к краевой части, так как может произойти 16 выброс. Поэтому необходимо создать систему автоматического регу лирования, которая, используя непрерывную во времени информацию 15 о состоянии массива горных пород, позволяла бы задавать комбайну максимально допустимую скорость, обеспечивающую необходимое fЧ сокращение энергозатрат на разрушение породы, с одной стороны, и исключение выбросов породы t:J - с другой. Проблема управления напряженным состоянием массива горных пород, а также использования накопленной в нем упругой энергии 1Z становится все более актуальной по мере роста глубины разработки 11 месторождений полезных ископаемых, бурения глубоких и сверхглу 10 этой проблемы кроме повыше- боких скважин и др. Реализация о o,zs o,s о,75 ~zs 6Э-10-!д-м/м 3 ния безопасности ведения работ .9 может обеспечить их значитель ное удешевление. 8 О запасах упругой энергии в 7 массиве горных пород можно судить из результатов расчета, " v. ~ ,ч 6L_._l.--~-:г-~v;~ 5 2 3 выполненного применительно к J - 15 о 1 м м.nротодьяконова ' ов по wкале · · ость песчаник ' сши1200 м, креп аботки 12 м-; u КРТ с коническим ра 1 площадь сечения Партсъезда, комбаин щадь сечения выработки м f === 8 -а- 11, nло 2 _ wахта им. 800 ~,ителем, глубина работ , . 16 5 м2; ым рабочим органом, ческий комплекс) ' 3 - то же, но с lоf~~аханова, комбайн (nр:о:ечения выработки 4 _ wахта -им.6 . ,_ 8· · rлу б ина _ 825 м, nлоща «Союз-19»; f . , . 20 6 м2; u Союз-19У». то регулированием , 5 - то же, комбаин « и наглядно показывают, ч за снизить энерrо- rlv Приведенные rра~и:на возможно в два-трибраот проявления вы 10 бурению сверхглубоких сква жин (рис. 10.12). Не учитывать наличие этих запасов неразумно и невыгодно для рационального 15 освоения недр. Добычная, проходческая или буровая машина при правиль 20 ном учете напряженного состоя ния массива горных пород в ме сте разрушения породы должна лишь управлять саморазруше нием пород под действием упру гой энергии, содержащейся в ней, что позволяет ставить воп Н,кн Рис. 10.12. Изменение притока энергии ЛЭ в прискважинной зоне с возрастанием глубины Н: 1- в зонах сжатия активными гори скорости подачи ком а пород и обезопасить се яwней скорости nод- рос о создании малоэнергоем затраты на р зонтальными силами; ких и малометаллоемких ма- сутствия активных горизонтальных сил азруwение а если не доnус кать изли u х исследовании р азра- брасов nородыu и ra~a' основании комплексны зованию естественнь1Х виrания комбаина. ие рекомендации no исnоль ботаны nрактическ . 230 2 - в зонах от- 231 шин (37]. При этом процесс управления саморазрушением задается режимом работы разрушающего механизма, зависящим от характера поведения массива горных пород в процессе внедрения в него. gi "'"' g? ~ i:: .._, ..., "' u u ... о ::ё о. о :,: u CQ ~ :r: о о i:: i::: ,:s: :s: :r: <1.) 3 <1.) <1.) м :s: :х; м '-О t2 щему времени вопросы управления кровлей достаточно полно разрабо таны, созданы надежные виды крепей, в том числе механизированные и в значительной степени автоматизированные очистные комплексы для большинства встречающихся горно-геологических условий залега ::ё ~ u :s: .... :а !- u "' :3 g, >< ~ ния и строения угольных пластов. Но все ли здесь уже сделано? о :,: u м ...... <1.) м Представляется, что если вопросы поддержания рабочего прост ранства в очистном забое с помощью крепи решены, то осталась ~ <1.) CQ ление поведением кровли и самого угольного пласта для дальнейшего CQ ,:s: :s: :r: <1.) фактически не затронутой еще одна задача: нельзя ли обеспечить не только управление поведением кровли с помощью крепи, но и управ :s: :r: <1.) :r: <1.) ::ё "' м i::: совершенствования самой крепи, повышения безопасности и сни жения энергоемкости выемки угля. Особенно этот вопрос актуален при ,~, "' ~ :s: . • CQ ,:s: \О :s: ro :r: <1.) м о '- g6 >< ,... ro :а Обратимся к истории постановки этого вопроса, рассмотрев ре- ":! о "':r: ~ :r: ~ о :а <1.) ... :r: ,.Q работы механизированной крепи. ro i::: С>: о \О достигнуто посредством выбора оптимальных ширины захвата до бычной машины и скорости ее подачи (37) и специальным режимом <1.) CQ 1 \а 1::1: о i::: ..< выемке ударо- и выбросоопасных угольных пластов . Это может быть :r >< :r: С>: :s: i:::,.Q :r: ro ro .... ~ >-. f=' .. CQ:s: <1.):r: u -;:; ":! ::ё ::I:CQo>. :s:o=f=- :r: :s: u .Q ro ,... :,:: ~ ~ ~ :s: f-, о о. :s: .QP-:o:s: :r: зультаты отдельных горных экспериментов. В одной из лав шахт «Буланаш» 1-2 Егоршинского месторождения встал вопрос о возможности предсказания во времени внезапного обрушения труднообрушающейся кровли. Дело в том, что сущест вовала опасность прорыва воды из слоя опоковых глин, залегающих в 15-20 м выше пласта, в случае внезапного обрушения кровли в лаве. Инструментальные наблюдения за сближением боковых пород в лаве ~о::1 проводились бригадой ЦНИМБа* (Д.В.Родкевич, И.М.Петухов и др.). ~ По результатам наблюдений было установлено, что начиная с июля 1943 r. началось устойчивое ускорение сближения боковых а:;~ t о. <1.) ~ :s: <1.) ~ :а -. CQ :r: ] i:l.. :s: "') >-. C)~<l.)i::: -. >-. ~ пород, что являлось свидетельством ухудщения состояния кровли. Это ~ ,;;;;·, с,; 232 @ о работанного пространства, плавное опускание кровли, поддержание кровли на целиках угля и некоторые другие модификации. К настоя В настоящее время ВНИМИ. :s: "' При ведении очистных работ, например, на угольных месторожде ниях, применяются такие способы управления кровлей, как полное или частичное обрушение кровли, полная или частичная закладка вы * i:: :,: \О ных пород при очистных работах 9 "' i::: <1.) ~ 10.2.4. К уnравпению rеодинамическим состоянием массива rop· u :r: ,:s: "' ~ ;::, о '-' ..,_ l5i1 ..., с::, ~ с::, "' $о! ~ :( ..,, :1 с::, ..: "" c:s ....c:s .t (.; ~ с:: . с::, 1 <1.) i::i о 1 ::Е c::s "') . ,::; "' :s: :::.: -.1 -. 233 дало возможность предупредить руководство шахты о надвигающемся нарушении кровли. Шахтой были приняты соответствующие меры безопасности на случай обрушения кровли и возможного прорыва воды, и все закончилось благополучно. Имея такой опыт оценки состояния кровли по ускорению или замедлению ее оседания (вернее, сближения кровли и почвы), в 1948- была поставлена другая, более сложная задача - нельзя ли повлиять на поведение труднообрушаемой кровли регулированием 1949 rr. скорости подвиrания очистного забоя. Инструментальные наблюдения бригадой ВНИМИ под руководст- вом И.М.Петухова проводились в лаве № 313 по пласту № 13 шахты № 63 в r. Гремячинске (Кизеловский бассейн). Угольный пласт с углом падения 60° имел мощность 1,5-2,7 м. Кровля пласта представлена кварцевым песчаником мощностью 15-16 м. Отбойка угля произ водилась буро-взрывным способом. Длина лавы 60 м. Управление кровлей осуществлялось по способу «разрез - завал». Ширина блоков (участков между обрушениями кровли в лаве, ограниченных целиками угля) по простиранию составляла 40-50 м, ширина целиков между блоками около 10были м. Наблюдения проведены в трех блоках. Результаты наблюдений представлены на рис. 10.13. При сопоставлении верхних и серии состоян ия массива з горных по ультатов этого из че род и использовани шенствовании техунолния для управления этим состеоянием пользовании реогии вед п рименительно ения горных работ ри соверэтомпнаправлении к разработке угольных мес; Необходимо а:ожет быть сформулирована с~рождений задача в режимом работырко~~~отать ~втоматизированную с:~ющим образом. матривала бы оп ексно механизированной ему управления (или забоя в цел::~альную скорость подвигани;авьri кото~ая предус наиболее надежную при данной ширине захвата до бычнои машины и наиболее безопас: экономичную работу механ~з о еспечи!ающую включающее сниж ое и эффективное аз ированнои крепи, щение опасных ди::ие энергоемкости расiот:~у::~и: угля в забое, байна, так и для са ~ических явлений нежелат аина, предотвраВыполнение ра~ои механизирован~ой крепи ельных как для комкардинального сов от в этом направлении отк . назначенных для у;ршенствования комплексоJы;о бы возможность и прежде всего в ц/авления кровлей и разрушено орудования, предлях снижения их энерго ия угольного пласта - и металлоемкости . ' нижних графиков видно, что чем больше скорость подвиrания очист ного забоя, тем выше скорости сближения кровли и почвы и, наоборот, с замедлением скорости подвиrания забоя наблюдается снижение скоростей сближения пород в лаве и , следовательно, улучшение состояния кровли с точки зрения предотвращения ее обрушения. Когда эта зависимость была установлена при отработке первых двух блоков шириной по простиранию соответственно 50 и 42 м, _ руководству шахты было предложено использовать представившуюся возможность управления поведением кровли за счет регулирования скорости под виrания очистного забоя для того, чтобы не допустить очередного обрушения кровли в лаве и таким образом избежать необходимости новой разрезки лавы. Это было тем более желательно, что лава приближалась к границе шахтного поля и целесообразно было ее довести до границы без обрушения. Совместными усилиями исследователей ВНИМИ и руководства шахты (директор П .Д.Васенок) было осуществлено управление пове дением кровли посредством регулирования скорости подвиrания забоя, в результате чего удалось отработать блок шириной до 115 м, где забой лавы No 313 был остановлен у границы шахтного поля. Этот первый в истории горного дела случай убедительно показал, какие большие возможности скрыты в изучении rеомеханическоrо ~0.3.1 . Обоснование постановки задачи ри разработке неф выявляются существе тяных и газовых место ож повышением нап ряженного нные дополнительные осложнения р дении постепенно V продуктивных пласт Н состояния массива го проницаемости не ов. а рис. гания. Из пр 10.14 , связанные с приведен рных пород и самих фтеносного песчаника с ы результаты расчетов г ф глуб каких-то особь~иведенных ра икав следуетучетом х мер то , что если ины его зале- продуктивных пластdв , ~:!:I~ая с некоторых глуб не применять Представляется чтстанет практически невозможин,v эксплуатация п , о тернист v · нои геодинам ыи путь по пе ехо . умыйравлению угольщикам ическим состоянием масрс ду к масштабному настоя ива пора для разработчикови, внеф щее время оказывается д, осваиваеследние годы все о тяных и газовых место весьма полезным нефтегазоотдачи п стрее встает вопрос о необхорождений, где в па ны. Назрела задаJаодуктивных пластов и притоко~и;ости повышения региональное уп равление решениянапряженным этих вопросов че рез целенаправленное люидов в скважии rазогидр одинамическим 235 234 к такому перераспределению напряжений в массиве горных пород , при котором в некоторых случаях произойдет неоправданное снижение 14 (слева) . ИзменеРис. JO. нефтеносно. пластового давления и др. Выбор общего направления отработки мес цаемости торождения без учета блочного строения и напряженного состояния ние nрони К с возрастанием ro песчаника Н nродуктивmубины залегания массива горных пород , часто крайне неравномерного, также может быть сопряжен с неблагоприятными условиями его отработки. Все это , по мнению авторов, ставит четкую задачу о необходимости ноrо пласта производить опережающее по отношению к освоению месторождения пласт hю изучение блочного строения массива горных пород и его геомеханичес кого состояния. Для этого необходимо использовать метод геодинами ческого районирования недр [4, 10], нашедший в последние годы до статочно широкое применение при разработке угольных и рудных мес ~,бм/l 10 торождений России, при строительстве и эксплуатации других важных объектов освоения недр и земной поверхности (см . главу 7) . 10 10.3.2. К управпению 15 напряженным состоянием продуктивных ппастов Проблема управления напряженным состоянием продуктивных пластов в нефтяной и газовой промышленности является соверше!jно zo во о,01м/l 25 новой, однако имеются определенные предпосылки для ее успешного z ости rазовьщеления JQ.15. Зависимость ск(оi) при ero надработке Рис • и пласта s V (J) и деформаци н,кtА ноrо массива гор состоянием гор астов. ных пород и nреЖд е всего , конечно, лабораторные и - сШ:k сам~:tг~::ст:е:н:~: :бл~~е:::н:~::а:~::~~ти а:~~~:;~~;:сz:;~:- тания, свидетельствую; На рис. 10.15 nриведен::о надработки очист наnряженноrо сос-тоян;о~ьноrо пласта в nроцессея на 102 м вьвnе. ll\J" -ти газовыделения из у угля расnолаrающемус ближе расnолаrае-тся по nлас-ту ' ду что чем ным забоем б димо иметь в ви ' влияния выше. этом, конечно, не~о хо -тем интенсивность ero людения при отра- надрабатываемь1и ~;:~~1е инс-трументальнь:с:~~аемых nрактическ: Аналогичные образных полезных о и в этих условия бо-тке жидких или rаз~ожно предположить , ч:1х пластов оказьшае-т отсутс-твую-т, однако нескольких nродук-тивн этом могут создава-ться о-тработка одного или на соседние пласты. При о к разраба-тываемому ественное влияние м айоне соседнеr жений с nовы- iс~вия, при которь~~ав в:::кJе-т разгрузка ~тмн;~р~есте, наоборот, nродук-тивноrо nла ти коллектора , в друг образуется nриrруз ~аботка nродук-тивных нием проницаемости wением проницаем~~ сопровождаясь сниж~лас-тов може-т привести пород. 236 Бессис-темная о. r . решения уже в настоящее время. Представляется возможным с помощью метода геодинамического районирования рассчитывать напряжения, проницаемость и влаго газоемкость продуктивных пластов не только на период разведки месторождения в естественном состоянии массива пород, но и любой период отработки месторождения, т. е . с уч том степени техногенного воздействия на него, составляя прогнощые карты на дальнейшие этапы отработки месторождения . Этот комплекс знаний позволит прежде всего существенно уточнить схему расположения разведочных и экс плуатационных скважин. Наличие прогнозных карт дает возможность избирать в каждом случае наиболее удачный способ управления геомеханическим состоянием массива для повышения нефтегазо отдачи пластов и притоков флюида в скважины, максимально ис п ользуя влияние зон пригрузки и разгрузки в массиве горных пород , возникающих в процессе эксплуатации месторождения. Осуществление такого порядка отработки месторождения должно п роизводиться в соответствии со следующей схемой*. Выбирается * А.с. 1047234 (СССР) . Способ разработки нефтяных и газ овых место рождений. / И . М . Петухов, Л.М.Марморште йн , В . П . Кузнецов, В . С.Сидоров 11 др . - Опубл . в Б . И ., 1981 . 237 продуктивный пласт, который должен отрабатываться первым в свите, вызывая своей разработкой появление разгруженных зон на соседних пластах. В качестве разгружающего должен разрабатываться пласт q коллектор с наиболее высоким объемом жидкой или газообразной фазы, с повышенными фильтрационными свойствами, высоким о пластовым давлением. Откачку флюида при этом развивают поступательно, создавая фронт (забой) откачиваемой жидкости с появлением перепада плас тового давления на соседних пластах. Последующие пласты вводятся в отработку с определенным отставанием, осуществляя ее в зоне активной разгрузки пород от напряжений и, следовательно, высокой проницаемости, что позволит резко увеличить притоки по скважинам. Расчеты размеров зон разгрузки от напряжений, необходимых соотно шений разработки соседних пластов могут быть выполнены с учетом теоретических и экспериментальных разработок ВНИМИ [48, 50]. Рис. 10.Jб Рас Продуктивн~м 10.3.З. Щепеваи разгрузка прискважинной зоны вого вскрь1 Другим важным вопросом является управление интенсивностью притоков флюида в скважину посредством разгрузки от напряжений прискважинной зоны, что обеспечит многократное увеличение прони- цаемости пород в этой области. В 1970-х годах был разработан способ увеличения проницаемости продуктивного пласта за счет щелевой разrрузки прискважинной зоны*. В основу способа щелевой разгрузки легли положения теории защитных пластов [48] и результаты много- летних лабораторных исследований, выполненных начиная с 1958 r. сотрудниками ВНИМИ и ВНИИОкеанrеология под руководством Л.М.Марморштейна и И.М.Петухова по изучению проницаемости кол- лекторов в условиях сложного напряженного состояния. Как показано на рис. 10.16, вертикальные щели толщиной не менее 3 см и шириной не менее двух диаметров скважины прорезаются в обе тия пределение п пласте до (а) . Роницаемости в и после (6) Oбразован тивного пл Ие Щелей с об ных по аста nозволяе еих сторон с со Родах, имею \ Щеле- т Разорвать ~о / ,_ j0 кважины в ро~~:~~::~ир::югртся :~:;е~:~;окру;~;:::~~~окПих нZ~;;::::;~оду~- скважи Узки от них. торц ри этом · гор- Изменен::/~рроод. На РИс_~а;_~~)l(бений в нai;or;::llJлee~ с образо::z~=~ения Мост ницае ь пород до б Щ и ели , Мости IIopo УРен созпают о б ия "-' прив и част одится схе--а ,., 11J11 и окружающ - д в п "' илл их скважинь1 пририскважи"нои:, з Юстрирующая " 0 ван в дос;iг~~:~тано и и~:;~::дропескос;~~::ой еди:::~е~Р 0 ницаеОпытные двадцать количестве. Ряде специализи способом. Об Р 0 ваннь1х ор Работы поп 0 РУдо- стороны от нее на высоту всей или значительной части мощности про- Продо лет вьтолнен РИМенению щ ганизаций лжают ь~ боле елевого дуктивного пласта, но не менее 10 диаметров скважины (допускаются В подав Проводиться е чем на soo вскрь1тия за технологические перемычки шириной по 10-15 см). Указанные пара- ивнь~х. п::10 rцем большиZ~ отдельных. Мес~:важинах 11 эпи:следние метры щелей необходимы для предотвращения их смыкания и обесНа Рис стов является ве/ве случаев ЩелРождениях Нефти ически печения постоянного эффективного действия разгрузки [48]. Способ >именен · 1 О.17 и I о 18 ьма Эффективн евое вскрытие 11 газа. щелевой разгрузки к настоящему времени хорошо разработан во многих , гнетател:и ~елевой ра.згр ~ля Иллюстрац::м (табл. 10. 4)_ nродукмодификациях для вертикальных и горизонтальных участков скважин. Значит Нои скважинах У ки на одной 3 Приведены д целевой рельное Увеличенместорождений ;сплуатационной анные о азгрузк ие Прит дмуртии и одной * А.с. 501146 (СССР). Способ увеличения проницаемости продуктив-Jакторов: Эфф и обусловлен оков Флюи · O ных пластов./ И . М.Петухов, Л.М.Марморштейн, В.С.Сидоров, О.Д.Казан 1 ИЧением пло ектом УВеличе суммарным д~ в скважины цев. - 1976. Бюл . № 4. Имеются патенты в России и США. Ультате сн Щади Фильтр Ния пронищ деиствием еле После 238 ятия нагрузки, в::::~~.Ь!Мывание:м~;;: коллекто;:~у~=~ ,v, за зонv ,,,.,, h. истых ч::~,..,.,., . .. Таблица 10.4 - ';ё 1 ~ :х: :s: ;Е ro Наименование 01.) (площади, залежи) u u 01.) р.. (!.) ';ё о - ::i:: ro .... ;:: CXJ :х: ro м ro :s: .... :х: 1 1 t::( . 1890 1224 1196 1195 1226 1296 1275 1238 1270 1129,2 1315 1420,5 1279,8 Сушинская Сушинская Центральная Л иственская Киенrопская Киенrопская Чебутырская Киенrопская Киенrопская Мишкинская Биковская Биковская Чутырская Другие местор Каракулинская (Татария) р Европейская (Пермская обл.) 790 р Оверятская (Пермская обл.) 23 Уренгойская Р-265 р Андрияшевская р (Украина) р 291742 117 3 (1) о :о о · екая Западно-Ровен (Саратовская обл.) 01.) s 01.) :.: м >-, р.. .... 1 Западно-Ровенская д бурrская Д Дупаширская Д Орен rазоконденсатная Примечание: р - р азведочная , 6 8,1 11,6 ~ :s: • t:=: 01.) i р.. ';ё :s: ;:: :х: 01.) ::r м р.. t:=: .... u м ro о t:: р.. 0,4 11 9,3 7,4 1,3 0,9 2,7 1,8 10 10 58 :s: >-, t:=: <1) CXJ >-, - 1 Рис. 10. 17. Возрастание притоков флюидов в эксплуатационной сква - жине № 593 (Киенrопская площадь) 7 ,8 19,5 13 ,8 2.2 43,4 3,5 3 28,6 20,3 2 ,74 3 ,5 4 ,5 5, 1 4 ,6 13,4 4,9 3,8 6,8 8 80 20 200 130 2,22 после щелевой разгрузки Рис. 10.18. Увеличение производи 1,1 4,6 57 996,5 6 1302 ,5 2,6 0,7 40 1540 45 3,5 36,4 3711 5249 6 4919 8,5 9,2 4,8 1,5 6 Д- добывающая, № 39 - 17 после щелевой разгрузки й и 0,24 12 тельности нагнетательной скважины б ождения 4894 1494 ,8 ) 2823 (Поволж . Кулиновская 872 р фонтан газа 3,2 1,6 2,2 3,7 9,8 8,6 5,5 13 ,2 5 6 ,6 м ro ~ CXJ рождения Удмуртии р 12 t Место 689 р 411 р 1080 р 222 р 593 д 588 д 261 д 495 д 360 д 2121 д 3973 н 3917 н 1106 н 7 s (!.) .е, .е, о >-, 968 t:=: .i t; 01.) \О 1 01.) ~1 ,~ ~ ~ CXJ ';ё ;:: :s: ~\ о CXJ :х: :х: 240 ro t:=: ::r ro 1 ' ~ ~ ,:s: ~ м о; 01.) :х: - ';ё :х: ro :s: ;:: ~о :s: ;Е CXJ 1 о:' 1 :s: \ :а 1 Производительно~ важинной зоны , в том числе в сочетании с другими многочисленными способами интенсификации притоков, может дать большие эконо мические выгоды. Крупный успех з.lrесь можно ожидать при научно r. м л- обоснованном выборе мест заложения разведочных шахт и при интер претации результатов, полученных в части их перспективности и подсчета запасов. Особенно полезным метод щелевой разгрузки может оказаться при «оживлении» ранее отработанных скважин с возоб новлением промышленных притоков на них . В данном случае имеется в виду возобновление эффективной разработки месторождений нефти ее бе ф 100 Повсеместное применение щелевой локальной разгрузки приск о- 1000 10 о \.ся 30 2000 60000 бес1500 70000 46,7 особ 10 ,8 6 rих 1,8 3 б ин. 5000,500 90000 1,8 ив- Н - нагнетательная, Ф- \ ра зан- и газа, считающихся уже отработанными . п нэ 10.3.4. Некоторые практические задачи Региональное и локальное управление rеомеханическим сос тоянием массива горных пород в целом и самих продуктивных пластов позволит кардинально повысить как притоки флюида в скважину, так и нефтегазоотдачу на месторождениях нефти и газа , в том ч исле наиболее сложных по освоению. и кон денсата . 1Й 241 В этом направлении необходимо : проведение квалифицированной экспертизы по оценке rеоме- ханическоrо состояния продуктивных пластов практически на всех месторождениях для разработки рекомендаций по повышению эф фективности разведки, нефтеrазоотдачи и притоков, возобновлению добычи на «отработанных» скважинах ; внедрение щелевой разгрузки прискважинной зоны в сочетании с другими методами интенсификации притоков на всех глубоких сква жинах, как действующих, так и уже отработанных; постановка фундаментальных научных и экспериментальных работ по разработке и совершенствованию способов управления напря женным и газоrидродинамическим состоянием продуктивных пластов на базе rеодинамическоrо районирования недр, рассматривая это как один и очень серьезный источник кардинального повышения качества разведки нефтяных и газовых месторождений, полноты и экономич ности их извлечения, безаварийности транспортирования нефти и газа. 10.4. ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРО ВОДОВ, ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ И ДРУГИХ ЛИНЕЙНЫХ е:31 Е32 Рис. 10.19. Схема Использование данных rеодинамическоrо районирования в части выделения разломов, степени их активности и взаимодействия пред ставляет большой интерес для достижения безопасности и эколо гической чистоты при эксплуатации продуктопроводов, железных дорог и других протяженных объектов. Анализ случаев аварийности на многочисленных нефтепроводах и /I]ч асп отдельных случаев аварий оложения активных разломов 1- разломы· 2 место аварий ОБЪЕКТОВ f53J , - р на продуктопроводах· развиваю тизу территорий вдоль т водов в целях п щиеся разломы ,· 3 - · цированы как «коррозия металла», «дефект труб» и «брак сварки» , - а таких аварий свыше 60% - происходит в местах пересечения трубо- ранга и мест 4 , V их аварийност/вименения профилактики для ~~ектируемых трубопро- картина аварийно;:с:ах ~ересечения активных ~~:::;ьноrо снижения лезных дорогах П раионах активных разлом ов. Аналогичная трассе дороги Сан~~~:~~р;униемМтому является в~~п~~:::::~то и на жерr- осква-Кемеров ( ш анализ по о см. главу 7). 10.5. ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ных СООРУЖЕНИЙ и го::~~:УАТАЦИИ ОТВЕТСТВЕН· проводами крупных активных разломов в земной коре . На рис . 10.19 приведена схема расположения активных разломов ранга, трубопроводов и мест крупных аварий, происшедших на них в одном из районов России. Из представленных материалов четко усматривается , что аварийность приурочена к местам пересечения тру- l бопроводами активных разломов. Таким образом , с помощью rеодинамическоrо районирования представляется возможным выполнить квалифиuированную экспер242 - расе деиствующих и п газопроводах, эксплуатирующихся на территории СНГ, показывает, что большинство аварий, пrичины которых при расследовании квалифи I трасса трубопровода. Управление безопасность венных подземных и ю строительства и эксп отходов и др наземных сооруженииv луатации уrих важн , мест захоро обоснованно выби ых объектов состоит в ответст- нения вредных ния массива rорны~;:б~айон их р~змещения с уч;~о: бчтобы vнаучно rеодинамического р аионирования т и земноинедр поверхности на основе лочнои строе(см результатов V . главу 7). 243 10.6. ПРИ БVРЕНИИ r ности будут действовать максимальные касател ьные напряжения . Так как абсолютная величина деформации расширения керна на кап rnVБOKИX и СВЕРХfПVБОКИХ СКВАЖИН ения скважин пере- ливается в направлении от оси его к образующей , срез может произой ти прежде всего по кольцу, наиболее удаленному от оси керна . аммы сверхглубокого бур ее значительных - Осуществление про р ности Одна из наибол Для каждой породы (угля) существует своя деформация &прел ' е обеспечение живает значительн:~еи:~~:ое обо~нование ~ техн::~~~~ния в необыч недостаточное теор б рения из-за процесса у ных условиях ~ол отсутствия надежнои теор ьших глубин. Существ r ующая тео а бурение происходит в превышение которой приведет к срезу. Зависимость величины внутрен него радиуса кольца среза (внешним радиусом является радиус керна) рия бурения созда- массиве горных поро д от абсолютной деформации е, возникающей при разном напряженном ' очности породы при состоянии, приведена на рис. 10.20, б. Опустив перпендикуляр на ось абсцисс из точки пересечения кривой 1, отражающей рост абсолютной деформации с удалением от оси скважины при данном напряженном на для условии, ко д не превышают предела пр скважин на глубину я в котором ри бурении нах напряжен и Между тем как п обенно в раио одноосном сжат~и сrсж· радиальные напряжения, ~~и-пять раз превы . до 12-15 V состоянии, с горизонтальной линией, соответствующей &пред' можно установить внутренний радиус кольца (в данном случае он равен О + 1). км и оле~ризонтальных сил , могут вв этих случаях сущее- действия высоких r шать cr . Поведение сж я В случаях пониженного напряженного состояния кольца (кривая род в процессе бурения по дробнее. Известпо твенно различаете . важнейший вопрос нескольконебольших глубинах Рассмотрим этот скважин на сравнительно летворительно отби деформации располагаются ниже &пред (кривая 3), раскалывание керна на диски исключается практически при любом диаметре керна. Образование кольца среза, ширина которого при прочих равных но, что при бурен::и удавалось достаточно у~~: керна стал затруд алмазными коронк же с некоторых глубин , о еriшим углублением рать керн. Начиная адается на диски' а с дальн нительным : керн расп (37] условиях зависит от напряженного состояния и диаметра керна, приводит к скольжению неровной поверхности кольца по неровной поверхности массива породы , в результате чего центральная часть кер на отрывается под воздействием возникающих при этом напряжений отрыва. Отрыв керна произойдет тем легче, чем больше ширина кольца среза и меньше диаметр керна . Иногда отрыв вообще не происходит и на выбуренном керне видны лишь трещины , которые - s в плоскости , V на отдельные кусочки у ра~пределения напр;ж;ниви кdрне образуется Рассмотрим схемь скважины (рис . 10.2 ' а ~ проведенной через проведенн ой через ЛОВосвысота которого от плоскост льтате' того, что разrр узка конус разгрузки ~а радиусу керна r. В резу ны основание конуса забой скважинvы , равнается впереди забоя скваж_,и сф~рической поверх образовались по кольцу среза, имеющемУ, незначительную ширину. Раскалывание на диски может произойти лишь при определенном от напряжении нач;ерическую форму. По этои соотношении ширины кольца среза и диаметра керна. Следует отме тить, что в случаях, когда напряжения crYи cr, неодинаковы, кольцо среза будет представлять собой не окружность, а эллипс, вытянутый в разгрузки имсе:ет:;:с==~;===========l направлении действия меньшего напряжения о-., о Рис. 1О. 20. Механизм раскалывания керна н а диски : а пр - распределение на яжений в выбури- . 6 _ зави- ваемом керне, сим ость величины Б от внутреннего кольца ере за рад ,. 6 _ иуса завиV симость срезаюшеи си лы от толшины диска 244 2) величина радиуса соответственно возрастает, наконец, если кривые Проследим, от чего зависит толщина дисков , на которые раска лывается керн. Порода в части керна , попавшей в пределы конуса раз грузки, удерживается в напряженном состоянии в результате сопротив ления срезу по сферической поверхности основания конуса разгрузки . Величина срезающей силы Р при прочих равных условиях зависит от длины выбуренного керна. Рассмотрим схему на рис. 10.20, в. Если срезающая сила будет мень1.Uе Р0, то керн не будет раскалываться на диски . При силе Р, будет проис ходит разделение керна на диски толщиной в. При срезающей силе Рпrед Порода будет разрушаться непосредственно у передового края обуриваю1.Цей коронки и, следовательно, образование керна вообще исключается . 245 В последние t Р, м 5 7Г 0,'I Рм 0,3 о,г энерrия» позволит получить объективные данные, необходимые для создания теории бурения глубоких и сверхглубоких скважин в экстре во рные полненылаборато ч р 3 « аботы на действую- мальных термодинамических условиях больших глубин. макете установки щемэнерrия » (см. рис . гео 5 2) при диаметре об- 10.7 р~зца породы 90 :м и г O,f Проведение фундаментальных исследований на установке «Гео 20 лет ВНИМИ были вы- длине их 180 мм . ГОРНЫХ ПОРОД* Некоторые резуль о работ пред- таты этих я керна 10 21. . ставлены на рис. Рис. 10.21 . Завиt11мость ~.скалы ат напря- В крепких породах расна диски и выход;а буровои ело калывание керна на женноrо состоян~f! : ины; РФ иски начинает соверt- толщина дис (а: d - диа--..~етр ~ буровой :аться при радиаль- р - фактически~; 11 номин ьныи :е~очи соответСТJ\е«но; crP - радиаJ напря- жение; сrсж - пред1;;;1 прочн~ти при сжатии . поло вины о-еж ' а 11рИ радиал--~ ьньк образование кер {а и нач И Н-...J ает ся же радиальных 1'\f!flряжбен"-ях вы 1 нальныиv в дв а- ,, ять и о ее раз. Как мы уже (l'fмечал 1-t9 в па ных напряжениях, сос- х чуть выше тавляющи оло 2о- ис ключается яжениях ой - окмелочи.ежПри больших од бур~вмелоч и превышает номибуровои фе 2.2, при бурении ск важин по буровой л бинах 1000 м выход Были в зонах ОГ\орноrо д~влен r 'j 5 . 1О.,__ 30 и более раз. углю шJЬныи в ..,. · на шахта х мелочи может Превышать номи ликах угля , например, ьный в 100 случаи при бур~аии с;в· жинv ючи превышал номинал Воркуты, когда вь~ход у - овои мелочи V и более раз. Е приня· ъ во вни t:,.,м ание . на ели крепких 6 по~, дах о ~зател шения, т. ~ . в резуrrе--~ ьтате У казанный объем буровои пкоrо я в результате хру образуете амических явлен~и V а горного тип при буре- ичин аварииности разру то стано~\ifТСЯ пон~тной одна из пр бурового инструмента без удара, ез ить й зажим Кроме того, нии глубоких СktJажин - - вн его последствия . йность по какой-либо ВО:,J1,1ожнос--,.и ус енках скважины и авари сти при возникает кавер ообраз~вани ст у указанный тип аварийном еще в этой причине . уl менно t :имея в совместно с Н.Д.Деркач:з аботке бурении глубЩ!АХ сквю~ин, ip нее и решил задачу пор РПерми авил . конструкции lt соОРУЖ½ени ю v ст 1 овки « еоэн е е начал 1970-х Io,!J,OB пос зд ном полигоне в г. специаль давильнои У - » - - - - - ,_ ,,. * Работы п р,,еодились - 246 ( м . рис. 6.2 и 6.3) . с 1-1 под Р) водством И М Петухова и . . ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА А П Запряrаева. . . 10.7.1. Состояние вопроса В пятидесятые и последующие годы были построены специальные сейсмические станции на шахтах Кизеловского бассейна, Ткибульского месторождения, на рудниках Таштагола, СУБРа, Норильска (под руководством В.А.Смирнова, И.М.Петухова и др.). Сейсмическая станция была построена также в Апатитах (под руководством А.А.Ко зырева и др.). На базе этих станций представилась возможность организовать разработку и широкое использование методов регио нального прогноза ударооnасности по месту с учетом фактора времени, что в значительной степени повысило безопасность развития горных работ на ударооnасных угольных и рудных месторождениях. ВНИМИ накоплен почти 20-летний опыт исследований напря женного состояния и удароопасности горных пород на шахтах и рудниках на основе мониторинговых микресейсмических наблюдений. Основные задачи, которые при этом могут быть решены на основе этих исследований, следующие: оценка величины напряжений, снимаемых в очаге в момент гор ного удара, землетрясения или другого динамического явления; изучение механизма протекания динамического явления (его кинематика и динамика); определение вклада, вносимого сейсмическими процессами в изменение напряженного состояния нетронутого массива в связи с развитием горных пород; классификация динамических явлений по их динамическим па раметрам (энергии, магнитуде, бальности); осуществление прогноза горных ударов по месту их проявления , путем микросейсморайонирования шахтных полей; осуществление прогноза горных ударов по их силе. * Составлено с участием С.Н . Мулева. 247 u Ми кросейсмолоrическии м основан на регистрации, и етод оценки напряженного состояни~ зучении и анализ е сейсмических колебании в инфразвуковом диапазоне частот. ная и предусматривает сбор и Система наблюдений стационар новременно от ряда датчиков, u нформации од и передачу сейсмическои и массива горных пород (в шахте Главными из них обычно являются: неrоризонтальное залегание рельефа земной поверхности ; наличие крупных геологических нарушений ; слоистость массива горных пород и чередование слоев различной п рочности; переменная мощность слоев полезных ископаемых; большая глубина залегания угольных пластов и рудных залежей; установленных в различных частях иям связи к центральному пункту на поверхности), по кабель~ым лин ии технология выемки (с целиками, без целиков и т. п.); р В результате действия указанных факторов в нетронутом массиве еrистрации (собственно сеисмоста::и с~йсмической информации по Максимальная дальность перед дновременно регистрируемых кабелю - 10 км, максималь:о~::~::а:ьный уровень усилен~я 45 дБ . телеметрических каналов - . еrистрируемые системои: врем~ Информативные параметр~~, р ческих волн в пункты наблюдении вступления различных типов се;с~~ве хностных R , L и других), их (продольных Р, поперечных 'та зат рхания, спектральный состав. длительность, амплитуда, часто осн~ве исходных данных: скорости Параметры, вычисленные на ных волн у, поперечных У,, r ( z )· сейсмических волн в м (Т )· координаты очага хо, Уо, о , у . время в очаге о ' (J ) ряжения поверхн остных R) , а (М)· бальность O ; нап ' я (Е) · маrнитуд , сейсмическая энерrи , очага (R) и другие. u снимаемые в очаге (а); размеры яженнооrо состояния, позволяющеи Основной характеристикои напр ений в массиве пород, является ассиве (продоль выделять зоны повышенных напряж величина сейсмической -~ктивност;~я число толчков определенного Под этой величинои понима энергетического класса, происшедших за определенный отрезок вре- мени в определенном объеме ;:~~И эта величина хорошо корре- Как показал опыт работ нь~ми напряжениями, которые по лируется с максимальными касател:ются ответственными за процесс критерию Кулона-Андерсена и явл разрушения пород в очаге*. , аз езах шахтных полей зоны повы- Следовательно, в~щеляя на р Jожно тем самым найти и зоны по- u сейсмическои активности, ий формирующиеся льных напряжен , вышенных максимальных касате ких и горнотехнических факторов. шенн ои за сч ет деи u сrвия ряда горно-rеолоrичес горных пород и возникают зоны повышенных и пониженных напря жений . Развитие горных работ приводит к возникновению дополнитель ных напряжений, которые на отдельных участках могут складываться с напряжениями нетронутого массива, создавая удароопасную ситуа цию, если породы на этом участке склонны к хрупкому разрушению. При регистрации динамических явлений в шахтах используется система наблюдений, при которой наблюдаемые сейсмопавильоны располагаются так, чтобы датчики охватывали равномерно весь иссле дуемый участок шахтного поля или нескольких шахтных полей. С этой целью наблюдательные сейсмопавильоны располагаются как на земной поверхности, так и на различных горизонтах шахт. Минимальное число наблюдательных сейсмопавильонов на одно шахтное поле - 4, если известен скоростной разрез среды . Наиболее оптимальное число наблюдательных сейсмопавильонов * Согласно модели Кулона- Ан е сена разрыв - скольжени д р е одной части при выполнении условия: ;:,; s + kР где S- значение ма "р"~ивают рассматриваемые породы ; ний которые выде ния пород· 'k - коэффициент внутреннего тре u ющи'е на площадке максимальр - нормальные напря~ения , деиству ных ;;сательных напряже нии. - 5. Каждый из наблюдательных сейсмопавильонов представляет собой камеру порядка 5 х 5 х 3 м3 , в которой располагаются два постамента для установки сейсмометров и автономной регистрирующей аппаратуры размером порядка 1,5 х 2 м 2 • На одном из постаментов маркшейдерской службой шахты наносятся направления стран света (север-юг, восток-запад). Обычно в сейсмопавильоне располагается трехкомпонентная уста новка сейсмометров, при которой сейсмометры (два из трех) ориенти руются на страны света и вертикально к поверхности почвы. Как правило, для удобства сопоставления различных компонент вектора смещения массива относительно другой происходи:симальных касательных напряже 1',пах\ величина бокового распора пород. на один носитель регистрируются однородные компоненты (например, вертикальные составляющие) . Наиболее оптимальной схемой расположения наблюдательных сейсмопавильонов является такая, при которой один располагается на земной поверхности (или на одном из верхних горизонтов шахтного поля), два - на флангах и два - на самых нижних из действующих горизонтов . В процессе ведения очистных работ и уrлубки шахтного 249 поля сейсмопавильоны , расположенные на нижних горизонтах, целе сообразно переносить вслед за развитием горных работ. Все наблю дательные сейсмопавильоны должны быть нанесены на планы горных работ. Для выбора наиболее целесообразного расположения сейсмо павильонов относительно зон ведения очистных работ необходимо до начала их строительства выполнить ряд предварительных поисковых исследований. Эти исследования должны включать в себя: определение уровня микросейсмических помех в месте возможного расположения сейсмопавильона; сбор и построение геологических разрезов вкрест простирания основных структур месторождения по трем направлениям, пересе кающим шахтное поле в центре и по флангам; определение физико-механических свойств основных пород место рождения; аналитический расчет (например, методом конечных элементов) полного плоского тензора напряжений и деформаций для каждого из геологических разрезов; определение скоростного разреза среды для построенных геоло гических разрезов по данным лабораторных испытаний образцов и шахтных сейсмических измерений нетронутого массива. Использование указанных данных позволяет наиболее оптимал ь но подойти к выбору места заложения наблюдательных сейсмопавильо нов, от которых, прокладываются кабельные линии к зданию собст венно сейсмостанции, располагаемому на земной · поверхности. В случае необходимости регистрации динамических явлений не на одном, а нескольких шахтных полях, расположенных на значительном расстоянии друг от друга (свыше 10 км), к сейсмотелеметри ч еской системе предъявляются особые требования, связанные с необходи мостью значительного подавления помех в кабельных линиях свя зи. Решение этого вопроса достигается: использованием каналов радиосвязи; созданием дополнительных пунктов контроля, сбора и передачи сейсмической информации (сейсмокустов на каждой из шахт в от дельности); использованием экранированных кабельных линий связи; установкой в сейсмокустах дополнительных узлов частной и частот но-импульсной модуляции совместно с согласующими усилителями; использованием систем с уплотнением сейсмического сигнала. Наиболее полно указанные характеристики аппаратуры реали зованы в системах GIТS, разработки ВНИМИ и «РЕГИОН » , разработки НПО Сибцветметавтоматика . Есть аналогичные системы зарубежного производства. 250 10.7.2. Микросейсмора й о нирование шахтных полей Результаты микросейсмолоrических наблюдени й шахтных полей обобщаются в виде карт микросейсморайонирования и разрезов вкрест простирания основных структур месторождения , на которых указы ваются: мест~положен~~ очага (эпицентр , гипоцентр), энергетический класс (слабыи, среднии, сильный), дата (год, месяц , число) . Карты эпицентров с указанием сейсмической энергии горных ударов и вре мени их возникновения являются основным исходным материалом для выявления зон повышенной сейсмической активности и тех участков их, где в настоящее время имеет место повышенная ударо опасная ситуация . Выявление таких зон и контроль за их миграцией во времени позволяет своевременно принять региональные меры защиты и проконтролировать эффективность их применения Однако карты эпицентров не дают информации о глубинном распр~делени~ очагов, что затрудняет понимание механизма их возникновения а следовательно, не раскрывают в полной мере причину их возник~о~ вения. Это же в свою очередь снижает эффективность мер по их пре дупреждvению. В связи с этим, результаты микросейсмолоrических наб людении должны представляться также в виде глубинных разрезов в заданном направлении (рис. 10.22), причем схема построения таких разрезов должна предусматривать следующие этапы: 1. Строится полная карта эпицентров за исследуемый промежуток времени (месяц, квартал, год) . 2. Выбирается направление (обычно вкрест простирания для удоб ства сопостав~ения с аналитическими данными), по которым строится rеологическии разрез. 3. На вы~ранные направления сносятся данные об очагах, которые лежат в узкои полосе (не далее 0,5 км от выбранного направления). 4. Полученные гипоцентры наносятся различным диаметром (в за висимости от их энергетической классификации) и цветом (в зависи мости от времени их возникновения). 5. Для полу,~енных разрезов методом конечных элементов рассчи тывается полныи тензор напряжений и деформаций. 6. Производится сопоставление зон повышенной сейсмической активности (по данным микросейсмолоrических наблюдений) с зонами повыше~ных концентраций (обычно максимальных касательных) . Такои анализ позволяет, с одной стороны уточнить теоретические расчеты, определив их совпадение или несовпадение с эксперимен тальными данными, а с другой, позволяет после согласования этих данных между собой определить границы влияния отдельных факторов (рельефа, слоистости, нарушенности и других). Как прав uло, в тех 251 J/3 - ],• ·@. ~ ~ - 2·, \ .,- З '· О- 4. ческих волн (скорости, затухании, амплитуде, энергии и других). Этот метод опробован ВНИМИ на ряде угольных и рудных месторождений страны (СУБР, Таштагол, Ткибули, Воркута и др.). Успешное при менение метода позволяет предполагать, что он может быть исполь зован и в стационарном варианте для контроля измерения степени удароопасности отдельных участков угольных пластов и рудных за лежей, особенно на тех месторождениях, где уровень естественной сейсмической активности может оказаться недостаточно информа тивным параметром. Основанием для таких работ могут служить исследования, выпол ненные ВНИМИ на шахтах Ткибули-Шаорского месторождения, кото рые показывают, что при увеличении нагрузок скорости прохождения сейсмических волн в нетронутом угольном и породном массиве с глу биной заметно увеличиваются. Следовательно, выбрав участки воз можного увеличения нагрузок и осуществляя в них контроль за изме нением параметров сейсмических волн можно будет контролировать изменение их степени удароопасности и на больших базах (между сейсмопавильонами). Такой подход особенно удобен там, где производится достаточно большое количество взрывных работ, которые могут служить источни Рис. 10.22. Региональный прогноз rорньу1;/р~:~в~ геологические на1- сейсмометры; рушения; местах, 4- 2- эпицентры горных , выработанное пространство где влияние этих факторов суммируется и происходит форми- u u рование зон повышеннои сеисм ической активности. льтатам наблюдений на шахте Отметим, что еще раньше по резу Кизеловском бассейне было Центральная (б. шахта им. Урицкоrо]н:цы выемки защитного пласта, ено что такие факторы, как гр u u ~~ отмеч целики и ,др . приводят к образованию з он повышеннои сеисмиче1.,""·· активности. б Таким о разо м , u уровень сеисмич ескоиu активности в достаточной яжений в массиве пород и степени чувствителен к повышени;е;::~я зон с повышенной кон может служить критерием для вы центрацией напряжений. 1О. 7.3. Сейсмическое просвечивание очаrовых зон для оценки напряИсследованиями ВН ИМИ установлено, я зон что повышенных опорных женного состояния массива и :ь::::::ический метод, основанный нагрузок можектинб:::т=~~~:~:о иа динамических параметров сейсми на изучении 252 ками сейсмических колебаний (Таштагол, СУБР, Норильск). гающаяся часть плиты уходит под другую плиту с последующим расплавлением. Из-за трения между плитами подвижки совершаются непременно толчкообразно [37). Толчкообразные подвижки имеют место, конечно, и в местах взаимного скольжения (перемещения) /iтава литосферных плит, и в местах их противодействия, что подтверждается 11. высокой сейсмичностью зон взаимодействия плит. К УПРАВЛЕНИЮ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ В РАЙОНАХ, На весь этот процесс накладывают свое влияние, конечно, и по стоянно действующие планетарные силы . Периодичность действия этих сил создает нестабильность в поведении земной коры, вызывая подвижки, порой катастрофические, именно в периоды наибольшей нестабильности. Как уже рассматривалось выше (см. главу 4), этот воп ПОДВЕРЖЕННЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМ рос прослежен авторами при сопоставлении времени проявления круп 11.1. ПОСТАНОВИА ВОПРОСА солне чными приливами: максимум приходится не на максимум или минимум величины приливных напряжений, а на момент максималь ного ускорения изменения напряжений, т. е . на момент максимальной нестабильности ее п изнание получает теория лито- в геодинамике все больш р объясняющая процессы и сферных плит, как наиболее объективнuо оре Вместе с тем взгляды ют место в земнои к . явления, которые име сферных плит не являются одно- на движущие силы в динамике :1:т~вязывает эти силы с наличием значными. Большинство учен 3 мли увлекающих литосферные ' конвективных тече ний в мантии е прямых доказательств и явл яет плиты. Эта гипотеза, ~днако, не имеет ся достаточно спорнои. 4 настоящей работы сделана по- Авторами в [4], а также в ;та:; счет горизонтальных сил, возни- пытка объяснить движение пл ах при проникновении в зоны ских рифтовых зон кающих в океаниче Верхние слои мантии, п 0 высоким давлением. Н ( Н раздвиrа магмы под имеют напряжения у г где ,· iy в зоны раздвиrа, ставляющие мarr,, ~ая толщине земной коры). глубина их залегания, рав~ что общая протяженность океаниЕсли принять но внимание, 80 тыс км [12], то можно ческих рифтовых зон составлняь~: ~:~:~ действу.ют на литосферные представить , насколько мощ ответствующие расчеты, которые плиты. В работе L40] приводятся со ля обеспечения перемещения х сил достаточно д ре показывают, что эти е ставленная здесь гипотеза однов - плит. Нетрудно видеть , что п~т~ что рассматриваемые горизонталь мен~ю дает основание утвержд ..: йствующие в земнои коре, ные силы , де имеют гравитационную, а не тектоническую природу. в движении литосферных плит Другим глобальным процессом я) при котором поддвиявляется 254 процесс ных (региональных) горных ударов в Кизеловском бассейне с лунно субдукции (поддвиrани , [37). Массив горных пород является сложной структурой, представ ленной блоками разных рангов, находящихся в соподчиненности и взаимодействии (см. главу 7). Процесс деформирования и разрушения такого массива под дей ствием естественных и техногенных полей напряжений, осуществляясь толчкообразно , сопровождается динамическими (rеодинамическими) явлениями многих видов и различной интенсивности. К ним отно~ сятся, естественно, и техногенные землетрясения, rорнотектонические удары, собственно горные удары, микроудары, толчки (сотрясения в массиве), стреляния пород. Проблема прогноза, предотвращения динамических явлений и, вообще, проблема обеспечения безопасности людей в местах , опасных по rеодинамическим явлениям, находится в центре внимания больших коллективов ученых и практиков многих стран мира и поглощает значительные ресурсы, особенно в последние десятилетия. Все возрастающая интенсификация техногенной деятельности людей при освоении и эксплуатации недр сопровождается усилением rеодинамической опасности , возрастанием числа динамических яв лений, а в некоторых случаях и усилением катастрофичности их про явления. В связи с этим возникает необходимость рассмотреть некоторые новые аспекты и пути решения проблемы rеодинамической безопас ности, учитывая при этом достижения наук о Земле, включая геоме ханику массива горных пород и геодинамику недр, получивших, по мнению авторов , существенное развитие в последнее время. 255 11.2. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О СОСТОЯНИИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ В СЕЙСМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ РЕГИОНАХ 11.2.1. Общие сведения Наиболее сейсмически активны земная кора и верхняя мантия до глубины 100 км . Затем идет спад активности, предельная же глубина сейсмической активности определена в 700 км. В работе [51]* приводятся сведения о том, что очаги большинства разрушительных землетрясений располагаются на глубинах до 40 км. При этом сами очаги представляют собой разрыв или систему разры вов, распространяющихся на десятки километров со скоростью не скольких километров в секунду. При дальнейших (катастрофических) землетрясениях из окружающего очаг объема горных масс выделяется энергия порядка 10 18 Дж, что соответствует магнитуде землетрясения около 8 и интенсивности колебаний земной поверхности до 1112 баллов (по 12-балльной шкале) . Опасность для населения и соору жений наступает при интенсивности землетрясения 7 баллов и более или при магнитуде более 5. Таким образом, по мнению ГА.Соболева, прогноз землетрясений с магнитудой 5 и выше, несомненно, представляет практический интерес. Главная проблема, стоящая перед сейсмологами, - научиться предвидеть будущие катастрофы, а перед строителями - обеспечить надежное сейсмостойкое строительство. Прогноз землетрясений принято подразделять на следующие виды: долгосрочный (несколько лет), который позволяет планировать землепользов,шие , застройку в сейсмически опасных зонах; среднесуточный (месяцы), позволяющий привести в готовность ава рийные службы, накопить запасы медикаментов, продовольствия и т. п.; краткосрочный (дни, часы), с помощью которого можно принять чрезвычайные меры безопасности, включая остановку особо опасных производств , эвакуацию населения и др. Рассмотрим эти вопросы с позиции возможности их решения в сейсмически активных регионах. * Работа представляет интерес , так как появилась после катастрофы, вызванной Спитакским землетрясением , и потому с наибольшей остротой обнажила состояние, сложившееся в области прогноза землетрясений и предпринимаемых мер бе зопасности их проявления . 11.2.2. Долгосрочный прогноз землетрясений Долгосрочный прогноз строится гл пользования карты сеи" сми авным образом на осн ове исческ о rо райо разработке должны лредъявля нирования. П оэто му к ее ться особо се такское землетрясение 1988 r. особ рьезные требования . Спи- карты ОСР-78, которая представ~::~ четко"локазало несовершенство ромиссы между наукой и практикой (Г ~бо~ различного рода комлПри составлении карты л актичес~ . Раиснер). всяком случае весьма слаб р и не ислользов ись ил и во ' о использовали ' ники. По мнению специалистов сь дан ные разломной тектокарту ОСР- 78 так как в ней , необходимо сроч но пересмотреть типа «лролус~ цели (к реально заложена возможность ошибки » оrда возникают з большие чем следуе емлетрясен ия, на один-два б алла " , т из карты) Ук раиону проявления Слита . азан ное отноtится как к " кского землетрясе другим раионам СНГ Об ния , так и к некоторым · ъясняется это г неоправданным стремлением с лавны м образом со ершенно экономить на с " " тельстве объектов подл е и смосто и ком строи " , ежащих охране 0 трясении. Крупным недостатк т разрушительн ых земле- . создание карт велось снача ом карты ОСР-78 явилось также то что ла для отдель ' отдельные карты искусственно ных регионов, потом эти По мнению авторов карта ссв"одились в единую карту [51] . , еисмического " составляться с учетом карт раионировани я дол жна этом по принципу «от общегrеоодинамического районирован ия. При к частному » до ст се рьезное изучение блочной ст кт " и гается д остаточно взаимодействия блоков выдел/У уры земнои коры , иерархического Земли разломов и узл'ов акти:ие активных в настоящ е время жизни женных и относительно разг ных разломов , тектонически напря" руженных зо н к ф земнои коры по их тектоно-д , ласси икация участков стояниям. инамическому и н а пряжен н о му со - Именно совместное рассмот ени районирования и проявления фр е результатов rеодинам и ческоrо получить карту сейсморайонир актической ность прогноз ирования толчк б -е" с и см и ч ноr:ти позволит тенденцию развития сейсмичн~~:::я , наиболее полно отражающую отдельных реги онах и возмож структуры в местах налряженн~о разного деформирования блочной Положение о необходимо го состояния зе~ной коры . сти исследован те~иев и, прежде всего , данных об ак ия геологичес ких крисеисмичности в том или ино " тивных разломах для оценки предлагают выделять активмньраионе содержится в [51] . Однако они . ,е разломы с п о разломов , которые выделяются геологи " мощ :ю анализа тех вопроса: активные разломы мо б ческои службои . Это не решит гут ыть выдел е ны более надежно и 256 257 оперативно лишь с использованием метода геодинамическоrо райони рования (см. главу Н,м Эффективность этого метода была продемон 17,5 стрирована группой сотрудников под руководством авторов в процессе 17,7 рассмотрения Спитакскоrо землетрясения в декабре 1988 r. - феврале 1989 r. Карты геодинамическоrо районирования Кавказа и района зем 18 18,2 7). летрясения содержатся в материалах Правительственной комиссии, рас следовавшей обстоятельства и причины возникновения Спитакскоrо зем 1'1,7,-.._ _,,.,,__ _,.. летрясения и меры по предотвращению его последствий (см. главу 7). 15 Весь цикл подготовки и проявления крупного землетрясения включает в себя три основные стадии: сейсмического покоя, акти 1.,-,:т визации и разрядки. По данным С.И.Зубкова, вр~мя начала проявления предвестников 17 относительно момента землетрясения прямо пропорционально магни туде последнего. Время начала активизации предвестников земле трясений по данным Г.А.Соболева и С.А. Федотова с магнитудой свыше 7 баллов примерно равно десятой части времени между такими 19117 землетрясениями, имеющими место в данном районе земной коры. Стадия активизации, для которой характерен высокий уровень текто нических напряжений в районе готовящегося сильного землетрясения, Рис. 11.1. Пример ре гистрации предвестников завершается крупным сейсмическим событием и последующими Ашхабадского землетря толчками - афтершоками. Затем наступает стадия частичной разрядки сения напряжений и их перераспределения в соответствии с новой системой разрывов. При сильнейших землетрясениях с магнитудой около 8 каждая из названных стадий длится по 10- 15 лет. Основная же часть сейсмического цикла приходится на стадию покоя, длящуюся более 100 лет, когда идет накопление напряжений, предшествующее началу новой стадии активизации. Площадь, на которой сказываются пред вестники крупного землетрясения, значительно больше размеров будущего очага. Здесь нужно определиться с размерами очага. При определении размеров очага горного удара, например, в угольном целике в размер очага входит как сам разрушающийся целик, так и большие объемы пород, окружающие целик, пропорциональные, по крайней мере, размерам выработанных пространств около целика [37]. При земле трясениях размеры очага определить довольно трудно. В простейшем случае, когда образуется единичный разрыв, очаг можно, по-видимому, определить, рассматривая его как сложную фигуру, одним из размеров которой является окружность диаметром, равным поперечному раз меру разрыва, вторым же размером является продольный размер разрыва. В пространстве указанного очага можно говорить о частичной разрядке напряжений в породном массиве, тогда как вокруг очага могут возникать тектонически напряженные зоны. Более того, поскольку 258 1.911.9 1948 г. (Г.А. Соболев со ссылкой на Милькиса [36]). Уровень подземных вод сначала падал в сква жинах, удаленных от эпи центра на 90 км (вверху), и только затем вблизи эпи tf,5 12 центра (ннизу). Переме щение предвестника э пицентру к осуществля лось со скоростью 5 км/сут может возникнуть подвижка по не вновь образонавшийся канта ровным поверхностям разлома, то многочисленных напряжен кт является прерывистым с образованием Н б ных и разгруженных зон аи олее надежными и часто п . летрясений являются следую и/вто~яющи~ися предвестниками земрезкое изменение уровня подз~н~,сеисмическое затишье, форшоки, тие или расширение участков зе х ~од в скважинах (рис. 11.1), сжа трического и магнитного пол .,. мнои поверхности, изменение элек пород, изменение теплового еи напряжений, электросопротивления красная съемка из космоса) и аргона (рис 1 1 2) . . ' « покрывала» поверхности Земли (инфра , изменение соотношения количества гелия изменение радиоактивности приземного слоя 259 Говорить о землетрясении , как о разрядке текто ниче с ких напря жений вообще , по-видимому, не сл едует, лучш е го ворить о пере распределении напряжений в области очага з емлетрясения и при М=7,2 легающих к нему массивов пород , которое приводит к установлению нового равновесного состояния, соответствующего зоне земной коры , находящейся в предельно напряженном состоянии . Поскольку усло вием существования зон с предельно напряженным со стоянием яв ляется непрерывное деформирование вследствие постоянного п е 2 рераспределения напряжений в отдельных ее участках, то и весь сейсмический цикл, составленный из отдельных стадий, является 1, активным, включая и стадию «сейсмического покоя » . Однако степень 1 1,2 0,08 активности на разных стадиях развития и проявления сейсмического / 0,5\....J..i.J....&.:~~~~~;;;-~~tn;~ D UИVlilЖ'ZII, Наличие обоснованного долгосрочного прогноза позволило, напри .,~ 1982 1983 19811 1'1= Rn,отн.ед события различна. мер, установить тщательные наблюдения за выявлением предвест Рис. 1J. 2. Изменение состава (гелий, аргон) ников краткосрочного прогноза в районе Паркфилда (Калифорния), где ожидается землетрясение с магнитудой газов в пределах Каша: 1600 бульской тектоническои 1200 структуры ( l 35 км от V атмосферы (в таких сеисмич:сКк Средняя Азия , исследования и организована служба прогноза землетрясений (С.А . Фе землетрясе (36]) и активных районах, как Закавказье, V над территориеи не сеисм 'методов прогноза землетрясении что в развитии дует еще упомянуть, п именение геодезии для наблюдении за V V v необходимо иметь в виду р ф плит с помощью метода ра взаимным перемещением литое ерных диоинтерферометр~и. В работе Г.И.Воитова и [51]). Таким образом, наличие долгосрочного прогноза позволяет осу ществлять активные эксперименты по разработке краткосрочного [51]). ного прогноза равна около Вероятность осуществления долгосроч 80% (Камчатка и Курильские острова, Калифорния, Карпаты). Однако, как от1'-'!'ечает Г.А . Соболев , у нас не разработан порядок рационального применения результатов долго срочного прогноза, которым можно было бы воспользоваться как для усиления наблюдений за краткосрочными предвестниками, так и для проведения профилактических защитных мероприятий с целью умень шения потерь от ожидаемого землетрясения. Е А Попова отмечается, что всего к насто~- . 200 видов предвестников землетрясении. щему времени установлено до 11.2.З. О службе долгосрочного прогноза землетрнсений В мировой практике имеется много случаев игнорирования резуль Rn,от11.ед татов долгосрочного прогноза землетрясений . В качестве примеров можно привести Спитакское землетрясение в 600 500 Рис. 11. 3. Концентрация радона в атмосфере подпочв в Ленинакане до и после Спитакскоrо землетр~ II 260 дотов прогноза (В.И.Страхов - она в 10-40 раз выше, чем ю го- Западныи азахстан, 11 3) и многие другие. С леоактивнои рис. . v 7. наблюдать на Камчатке, где поставлены тщательные сейсмические нием 19 марта 1984 г. (Г.И . Войтов , Е . А.По пов а также в районе Токио Подобные меры в России можно , по-видимому, в известной мере э пицентра) перед Газ лийским 6, (Япония), где ожидается землетрясение с магнитудой больше I II О/ Мес1'ц сения в декабре 1988 г. (Г.И.Вои тов , Е . А.Попов (36)) Чечено-Ингушетии в 1989 r. 1988 г.. Землетрясения 1976 r. в и Таньшане (Китай) в На Камчатке и Курильских островах осуществляютс я пятилетние прогнозы примерно для 20 участков Курило-Камчатской дуги. По дан ным С.А . Федотова, на Камчатке , Курильских островах и северо - 261 состояния на большой площади соприкосновения литосферных плит. Появление цунами вызывается, по-видимому, мгновенным сокра щением дна океана по площади (в широтном направлении) и выбро сом в связи с этим воды на берег. Под руководством акад. С.А.Федотова впервые в стране раз работана специальная памятка для жителей Камчатки, поясняющая, что нужно сделать, как вести себя до, во время и после сильных землетрясений. В статье С.А.Федотова [51] отмечается необходимость Рис. Jl .4. Карта сей смического райониро Собо11ЕВО вания Камчатки (фраг о о мент карты ОСР-78): 1 _ вловс - камчаrс~нil с \\\\\1 ~ предельная ин тенсивность землетря сений в баллах; Ш1 2- об ласть высокой концен трации очагов сильных [!Шlll2 землетрясений; 3 - цу намиопасное побережье (С.А.Федотов) разработки таких памяток для Кавказа, Забайкалья, Средней Азии с учетом своеобразия этих мест. Интересные сведения приводятся о силе землетрясений (по 12балльной шкале) и частоте их проявления на Камчатке, а именно: 5 баллов (15-25 раз в 100 лет); 6 баллов (10-15 раз в 100 лет); 7 баллов (4-6 раз в 100 лет); 8 баллов (1-3 раза в 100 лет); 9 баллов (1 раз в 300 лет). По утверждению В.Н.Страхова [51], в настоящее время в сейсмо логии господствует парадигма эмпирического обобщения, ретро спективного анализа и аналогии. Однако эмпирическое обобщение - необходимое, но недостаточное основание для уверенного прогноза. В данном случае отсутствует главный фактор, определяющий лицо других наук (физики, химии, биологии и др.), - активный эксперимент ясения присущие структурам типа [51]. По-видимому, вследствие этого и отсутствует количественная физико-математическая теория в решении этой проблемы. Поэтому ах отличаются большой длитель- районах Паркфилда, Токио и Камчатки, о которых упоминалось выше. востоке Японии происходят землетр облаdтям поддвига литосферных островных дуг или, проще говоря, - плит [51]. надо всячески приветствовать проведение активных экспериментов в Землетрясения в таких структур (Аляскинское землетрясе н ие нд а то и минуты ' ачинаются с толчка макси1964 r. продолжалось 5 мин.); редко н лишь через 15-20 сек. после трясений и обеспечения безопасности в ~йсмически опасных районах мальной силы, которы по этой проблеме ведутся с привлечением методов геофизики, в том ностью - десятки секу й обычно наступает б первого толчка. Кроме того, своео l~a~~ ем Тихоокеанского региона являются проявления цунами (рис. . . ОСР-78 Очаги сильных н фрагмент карты · На рис. 11.4 приведе Т ИХО го океана на расстоянии 30ТСЯ ПОД ДНОМ землетрясении находя б ья полуострова Камч<iтка. Из при150 км от восточного по ереж ила землетрясений убыв<iет с что предельная с веденнои карты видн O ' этом районе связываются с v v удалением на запад. Землетрясения в наличием зон субдукции. Отмеченные особенности п оявления землетрясений в зонах р V ой их природои. Происходит подвижка субдукции обусловлены сам тям их соприкоснове н ия. Первый толчок плит по неровным поверхнос Вместе с тем необходимо шире использовать для прогноза земле многочисленные данные о горных ударах. Комплексные исследования числе с использованием специальных сейсмических станций, распо ложенных в опасных по горным ударам регионах; методов геоме ханики с проведением специальных широкомасштабных горных экспериментов на шахтах и рудниках, а также проведением много сторонних испытаний горных пород в лабораторных условиях с при менением оригинальных стендов. Здесь есть, что можно использовать при решении отдельных вопросов безопасности для районов, под верженных землетрясениям. Можно отметить как хорошее начинание в этом плане внимание к нашим работам со стороны группы ученых во главе с В . С.Куксенко. Вместе с тем попытка навязать специалистам более мощного второго толчка. горнякам необходимость прогноза горных ударов по месту и времени, Последующие толчки связа~ы с п:~;о~не предельно напряженного не является обоснованной для проблемы горных ударов это шаг назад, является «спусковы м крючком » для равновесия в образовавшеися но 262 ом восст<iновления состоя н и я как это делается пока не очень успешно при прогнозе землетрясений, 263 V , Проблема предотвращения горных ударов получила полное тео в П именяемый горняками прогноз гор- дезориентирующии I орня ко . р позволяющий заблаговременно ретическое и практическое решение . В конечном счете , здесь была ных ударов с ~четом фактораив~е;ее;:~устить разрушительного прояв принять мерь, проф илактик а _ вот такои ления горного удар ' V подх сформулирована и решена задача регионального управления состоя од по мнению авторов, может , нием массива горных пород в пределах шахтного поля для исключения при отработке угольных пластов опасности возникновения динами и техногенных и естественных оказаться действительно полезным прить максимальное отражение в землетрясениях, что и должно получ еных-сейсмолоrов и горняков . ческих явлений. Задача решалась главным образом путем широкого применения опережающей отработки защитных пластов и ведения ра будущих совместны х исследованиях уч бот без оставления удароопасных целиков угля . Управление состоянием массива горных пород в пределах всего шахтного поля для обеспечения безопасного и эффективного ведения 11.З. о~ыт РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ГОРНЫХ УДАРОВ горных работ на шахтах, опасных по горным ударам и внезапным выбросам, внедрено на НА УПШ ЬНЫХ ШАХТАХ 40 шахтах 6. СССР явления на этих шахтах прекратились Особенн0сти подхода к решению пробпемы Как известно , опасность проявле во многих rориоруд перехода к управлению rеодинамическим состоянием массива горных ния горных ударов имеет место ны х рай о нах мира а протяжении по крайней н ' пород на всех глубоких шахтах (а не только опасных по динамическим явлениям), что обеспечит ведение горных работ как бы на глубинах, в аботка около десятка опасных два -три раза меньших достигнутых, со всеми вытекающими отсюда пластов угля началась в ных к горным ударам, на всех шахтах Позднее число пластов, склон месторождений склонных к СНГ превысило 800, а число рудных ешением проблемы горных ам - 60 Общее руководство р горным удар v' . . 1951 r осуществляется вними. . ударов в наше и стране с . из типов rеодинамических положительными последствиями 11.4. сообр азно проследить успешному решению про [45]. РАЗРАБОТКА ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ В РАЙОНАХ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМ* Рассматривая . горные удары как од:нуть и основные подходы к явлени и , целе [45, 50]. Это дало возможность поставить реальную задачу о необходимости мере, более двухсот летi:4~:с~~:ьr::ршахтах Кизеловскоrо бассейна. v в последние двадцать лет и дало положительные результаты: горные удары и другие динамические блемы го ных ударов и, прежде всего, на угольных шахтах, где удалось дост и~нуть наиболее существенных ре- анию безопасных усл овий ведения горных работ. 11.4.1. Землетрнсенин и горные удары - ~еодинамические нвленин v В начале 1950-х годов при посещении самой опасной по горным вигался в качестве основного ударам шахты в Кизеловском бассейне известный ученый-геофизик вопрос о прогнозе места и врем:н~ахте ам своевременно удалиться из удар в качестве модели землетрясения? Условились, что можно. Од зультатов по соз~ В начальныи период ре ш ения проблемы горных ударов в нашеи стране ( 195 1-1955 rr.) специалистам:а::~~новения горного удара с тем' чтобы обеспечить возможност опасного мес ,а. Такой подход как изв ' ерстно находит своих привержен- цев ВПЛОТЬ ДО настоящего времеНИ,v ОСО ' бенно при решении убежной горнои практике. 6 про лемы . горных ударов в зар 1950-х годов в нашей стране и , прежде всего, Однако уже к концу Кизеловскоrо бассейна выработался на шахтах наиболее удароопасноrо V одход к проблеме обеспечения и возобладал принци п иально друго: ~ не предсказывать горный удар, Ю.В.Ризниченко поставил вопрос: можно ли рассматривать горный нако теперь становится ясно, что связь этих явлений более тесная: гор ный удар и землетрясение представляют собой rеодинамические явле ния, имеющие общие черты в природе и механизме проявления . Зем летрясения и горные удары, как и другие динамические явления, происходят в результате хрупкого разрушения пород в местах с пре дельно напряженным состоянием массива горных пород, когда ско рость изменения напряженного состояния в создавшейся ситуации безопасности в удароопасных шахта [37] асность его воз никновения . а заранее предотвращать опб л решение проблемы горных ударов Именно этот подход и о еспечи в нашей стране. 264 * Петухов И.М. К вопросу о геодинамической безопасности. ВНИМИ , 1995 . С. - СПб . : 16-26. 265 превышает максимально возможную скорость выхода пород из-под нагрузки с непременным притоком энергии извне . Если это так, то естественно сделать заключение, что и подходы ~ решению проблем безопасности в районах проявления землетрясении и горных ударов могут быть в значительной мере похожими, :отя и масштабность и сложность решения проблемы землетрясении, ко нечно, далеко не сопоставимы с решением проблемы горных ударов на угольных пластах. Авторы отдают себе отчет в том , что осуществление работ в перечисленных направлениях представляет собой сложнейшую науч ную и организационно-техническую задачу. Однако к ее выполнению 11.4.2. О возможности испопьзования опыта решения пробпемы горных ударов Рассмотрим, что же можно использовать из примера успешного ре шения проблемы горных ударов в нашей стране для разработки новых подходов к решению сложнейшей проблемы безопасности в районах проявления землетрясений. Прежде всего, как и при горных ударах, нuе следует, по-видимому, ставить во главу угла прогноз землетрясении по времени их прояв ления. Это очевидно хотя бы из того соображения, что даже если в будущем разработанные методы прогноза землетрясений обеспечат 7~- 80 % надежности предсказания времени возникновения землетрясении, то и тогда в 20-25% случаев будет угрожать катастрофа. Боле~ того, прекращение полезной человеческой деятельности в любом раионе, в котором предсказано землетрясение , чревато большими потерями, а в случаях ошибки в прогнозе времени землетрясения - кто и ~огда возобновит нормальную человеческую деятельность в опасном раионе, кто возьмет на себя эту ответственность. Кроме того ясно, что, до пуская проявление землетрясений , приходится мириться с колос сальным материальным ущербом. Отсюда напрашивается вывод , что при решении вопросов безопас ности от проявления техногенных и чисто тектонических земле трясений в земной коре необходимо исходить из тех же принципов, что и при решении проблемы горных ударов. Задача, по-видимому, должна быть сформулирована следующим образом. Во-первых, необходимо систематически и повсеместно выявлять участки земной коры, являющиеся тектониче,:ки напряженными зонами, опасными по проявлению землетрясении. Во-вторых, следует оценивать и постоянно контролировать степень опасности проявления землетрясений в тектонически напряженных зонах, осуществляя прогноз землетрясений с учетом фактораu времени. В-третьих , необходимо осуществлять активное воздеиствие на массив горных пород в тектонически напряженных зонах, снижение опасности возникновения землетрясений путем разрядки участка пора~ от напряжений, выводя данный участок из условий , ко гда внезапныи переход массива пород в новое , предел ьно напряженное состояние может окончиться сильным землетрясением , имея в виду, что мелкие, неопасные землетрясения должны рассматриваться, как нормальная разрядка напряжений в массиве и , следовательно, их не следует бояться , как это принимается для мелких горньк ударов. вызывая необходимо стремиться: только при таком подходе может в конечном счете быть достигнут успех в обеспечении безопасности и безава рийности освоения недр и земной поверхности в районах, подвер женных проявлениям землетрясений. Остановимся на краткой характеристике имеющихся к настоящему времени научных и организационно-технических предпосылок для решения этой весьма сложной задачи. 1. Разработаны энергетическая теория горных ударов, энерге тически-силовая теория внезапных выбросов угля, породы и газа, основы общей теории указанных динамических явлений (39]. Эти разработки с учетом крупных достижений других наук о Земле поз воля«:т ставить и в ближайшие годы решить проблему разработки общеиu теории толчкообразного поведения массива горных пород и земнои коры в целом как основы для создания геодинамической безопасности. 2. Получила за последние 40 лет ПР.актическое решение сложная проблема безопасного ведения горных работ на угольных шахтах, опасных по горным ударам, являющихся одним из классов геоди намических явлений, имеющих многие общие черты природы и меха низма проявления с землетрясения.ми. 3. Разработан и получил внедрение метод геодинамического райо нирования недр, как основной метод новой отрасли наук о Земле геодинамики недр [4] , позволяющий оперативно выделять блочную структуру земной коры в ее соподчиненности , активные в настоящее время разломы и узлы разломов, тектонически напряженные зоны в массиве горных пород , оценивать напряженное и газогидродина мическое"состояние массива в любом участке земной коры, уточнять карты сеисмического и других видов районирования. Это дает воз можность создания специальной постоянно действующей службы по оценке, прогнозу и контролю геодинамического состояния массива горных пород в условиях действия естественного и техногенного полей напряжений. 266 267 4. Получены, особенно в последние десятилетия, многочисленные и весьма серьезные теоретические и практические наработки в области раскрытия природы землетрясений и их предвестников при решении вопросов прогноза землетрясений по месту, силе и времени. При этом, если исходить из сформулированной выше постановки вопроса, т.е. сделав основной упор лишь на прогнозе землетрясений по месту, но с учетом фактора времени, имеющихся наработок может оказаться почти достаточно для того, чтобы разработать методы и аппаратуру для оценки опасности приближения землетрясения, определения наиболее подходящего времени и последовательности необходимого техно генного воздействия на отдельные участки земной коры, степени и Если представить себе ест:ственное толчкообразное деформиро вание какого-то участка земнои коры в виде, изображенном кривой z на рис. 11.5, и учитывать при этом, что отдельные толчки (разрушения) проявляются катастрофически (например, в виде землетрясений в 89 баллов), то появится желание преобразовать поведение массива в вид, 1:3ображенный на рис. 11.5 кривой 2. Отличие второй кривой от перво и состоит в том, что та же величина Лl достигается в то же время но не в два рывка (толчка), а, скажем, в четыре, но уже без катастроф (например, в виде землетрясений 5 баллов и ниже). Конечно если бы удался такой важный эксперимент, то появилось бы стремл~ние еще характера такого воздействия для исключения катастрофического больше измельчить толчкообразные подвижки, но при этом следует проявления землетрясений. 5. Имеются в наличии мощные источники техногенного воздей деформирования участков массива, находящихся в предельно напря ствия на массив горных пород , что может быть использовано для обес печения безопасности и безаварийного перевода опасных по землетря сениям участков земной коры в неопасное состояние в установленное прогнозом время. К настоящему времени в мировой практике нако иметь в виду, что полностью убрать скачки не удастся, так как процесс женном состоянии, может быть только толчкообразным. В этом случае можно говорить о том, что планетарные силы (см. 4.5) следует расс~атривать, как фактор положительный, побуж дающи~ участки земнои коры освобождаться от излишних «застойных» ностью на сейсмоопасность массива горных пород, как, например, при явлении. Положение с толчкообразным поведением массива горных пород, приведенное на рис. 11.5, относится не только к землетря атомных взрывах, заполнении водохранилищ, закачке отходов в глу сениям, но и к горным ударам, частота и интенсивность которых легко бокие скважины, отработке глубоких месторождений полезных иско регулируются, например, при работе комбайна в очистном забое. пилось множество случаев активного воздействия техногенной деятель паемых, перемещении больших масс пород при открытых разработках и пр. Обобщение этого разрозненного опыта, его совершенствование с учетом специфики последующего использования для управления гео динамической безопасностью должны всемерно приветствоваться. 11.4.З. Перспективы решения пробпемы rеодинамической безопасности Состояние достижений наук о Земле, включая геомеханику и геодинамику недр, позволяет ставить и решать задачу по управлению геодинамическим состоянием отдельных участков земной коры и литосферы в целом как единой системы, находящейся, по мнению авторов, в своеобразном предельно напряженном состоянии. Равно Все это, по мнению авторов, позволяет ставить вопрос об управ лении состоянием массива горных пород в отдельных участках земной коры для снижения их сейсмоопасности. Все нарастающая техногенная деятельность человека делает решение этих вопросов весьма ак туальным, однако на получение удовлетворительных результатов потребуется немало усилий и времени. В этом плане, приветствуя существование целевой программы «Раз витие федерал~ной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясении на 1995-2000 годы», утвержденной Правительством Рис. 11.5. Принципиальобразного деформирования участка земной коры в ре весие в этой системе соблюдается за счет постоянного ее деформи зультате направленного тех рования с возникновением, существованием и исчезновением зон ногенного воздействия: предельно напряженного состояния в отдельных районах. Научные и / - в естественных условиях (до воздействия); 2 - после инженерно-технические решения должны обеспечивать неизбежное по своей природе толчкообразное деформирование земной коры без техногенного воздействия; З катастроф как в ее естественном состоянии, так и при техногенном недостижимый результат тех воздействии при эксплуатации недр и земной поверхности. - ногенного воздействия, к ко торому следует стремиться 268 О ная схема изменения толчко ~l t нием № 1207 от З ноября 1994 г., ;~~~;:сскчо:т:~~~~~::б:~~:;ь~:л:ача;: ~f~:ибвь~т;:;~;;;:;~:;::~~:~ лени и создания постоянно деиствующ " ве женных зем намической безопасностью участков земнои коры, пв:де~ствия на них летрясениям, посредством активн~гои~;::~:::;~ их балльности. По с целью устранения землетрясенииа:инаться на отдельных, наиболее нятно, что эти работы должны н лее сложным и крупным, простых участках, постепенно переходя к бо расширяя круг решаемых задач. и конт- Автоматизированные системы служб по оценке, прог~озуическую включая его сеисм ~;:~~~:~::,:;;r~~;:~t~i:?a~i{i:i~~:~:~~;~::::.~~:;;::o рий круш~ых регионов и ко:~~::н:1~~:~%т~:~ения вопросов оптиРоссииская наука и пра V мальноrо освоения недр и земнои vповер~ности в состоянии приступить к выполнению рассматриваемои пр(j) лемы, н постановке аналогов в мире. е имеющей в своей !лава 12. ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ОБЩЕЙ ТЕО РИИ ТОЛЧКООБРАЗНОГО ДЕФОРМИРОВА НИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД Земная кора и в целом литосфера на многих участках находятся в предельно напряженном состоянии и, следовательно, изменения этого состояния, связанные с деформированием массива горных пород, пе реливанием (перемещением) потенциальной упругой энергии (энерrо обменом) могут совершаться в подавляющем большинстве случаев толчкообразно. Эти толчкообразные изменения происходят на микро и макроуровнях как в естественных условиях, так и при техногенном воздействии. Внешне они проявляются в виде многочисленных мелких геодинамических явлений типа стреляний, толчков, вплоть до катастро фических rеодинамических явлений в форме горных ударов, техноген ных и естественных землетрясений. Поэтому одной из важнейших за дач на ближайшее время, стоящих перед спм,,иалистами геодинамики недр, является создание теории толчкообразного деформирования массива горных пород, как основы изучения, оценки и прогноза его свойств и состояния, разработки способов и средств возможного уп равления ими при освоении недр и земной поверхности. Попытаемся в первом приближении сформулировать отдельные предпосылки к созданию такой теории на базе имеющихся наработок науки и практики. 12.1. КОНЦЕПЦИЯ О ПРЕДЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ ЗЕМНОЙ КОРЫ Земная кора и литосфера в целом, как система, находятся в спе циальном, предельно напряженном состоянии. Ее равновесие контро лируется постоянно меняющимся взаимодействием гравитационных и планетарных сил. 271 Рассмотрим некоторые положения,~ значительной степени харак ие состояние и поведение этои системы . териlз.у;е~динамика литосферных плит определяется следующими rлавднвь~::н~:к;~~~~ф~рных плит обеспечивается активными rоризон :;~;~~м: ;:;::;,;т: ::;а:~:::: ~:~т за счет посту~ления высоко- айонах срединно-океанических 0 п яженной магмы из верхних частеи мантии Земли, на ~а границах литосферных плит в зонах рифтоrенеза, субдукции и противодействия континентальных плит преобладают напряжения сжатия; взаимодействие литосферных д б плит в зонах су дукци и и противо- ействия совершается толчкообразно. н Зона растяжения массива горных пород в области средин о- 2 . не выходит за пределы океаническог9 хребта хот~ и сущес;;~:;с: 0локальной, имеет незна- :~:::,:г;.:;~~~::::i:е;::1л~нн:: r:~~i:;~:;::;,~::o,:;~й же зоне спрединга и с уд зонт;л~не~:о~~~~:::::яр~;::::;х зон так же, как океанов и материков меня~фся в~:~:::н;~к~~э:~м;0~;;~~1:::~:~и~:иь~мн:. ;:;~::ее~:: ;:: ~д:~: доказа~ельством активно~::о~:~:::;~~;кли: ип~z:~~~=: 0 су~:с:;1;:;0 :_Р~f;~;;;б;а::: с:;:Тавление карты рифтовых зон и :~: субдукции с увязкой со стадиями их развития на настоящее время и во;м~ж:ь~;ич~=~~в;~:;:~~:т:::~;:::::gе;,;:\~:д;~:е~~;::~т~ . р у ффект разуплотнения массива горных пород, возни вниман~е на э ствие подвижек по неровным поверхностям блоков кающии вслед га по слоистости представленных разных по ли относительно друг дру ' образуемым пoвepx- ::;::•p:,;;::•::~;:.I.~;;::;~:~~:::i~If:!· :~~::~:: r:g~~~;:: V нения краево П ем по мере удаления от обнажения, 1, е е возрастания на- т. е. по м р г:;~к на пласт и перехода его в условия всестороннего сжатия, влияние эффекта разуплотнения снижается. ффект П именительно к земной коре можно предположить, что э р нения массива будет проявляться в пределах зон, перешедших рапзруепдлео;ьно напряженное состояние, а на отдельных участках, как это вбыло показано выше, эти зоны распростра_ . няются дон111,· Если 5 %принять подняН 11Л 272 = 15 км, то даже при средней величине разуплотнения о тие земной поверхности за счет этого эффекта достигает О , 75 км. Значительное влияние эффекта разуплотнения массива пород должно прослеживаться в районах сильнодислоцированных , а также в районах горных хребтов, где массив пород в значительной степени осво бождается от действия горизонтальных тектонических сил. С углублением в недра земной коры эффект разуплотнения сни жается и на уровне Н"л' по-видимому, разуплотнение как результат подвижек по неровным поверхностям практически исчезает. Блочное строение массива будет сказываться лишь вследствие то го, что в условиях неравномерного сжатия на контактах блоков будут возникать специальные условия, приводящие к «оплыванию» пород и, следо вательно, к выравниванию напряжений вдоль контактов [37]. На фоне общего предельно напряженного состояния массива гор ных пород наблюдается крайняя дискретность распределения напряже ний, обусловленная различием прочностных, деформационных и иных свойств литолоrически разных пород, слагающих массив, разнообра зием форм и размеров блоков, отдельностей, залежей пластов и их взаимного расположения, подвижками по неровным поверхностям структурных элементов. С ростом глубины дискретность распреде ления напряжений в массиве горных пород постепенно снижается . 5. Представляет большой интерес вопрос о делимостм шпосферы . Автором работы [12] на основе результатов исследований 120 тыс. трещин и разрывных нарушений во многих районах России установ лено, что в процессе тектонических деформаций на ориентировку возникающих трещин существенно влияет первичная анизотропия , направления трещиноватости меняются от блока к блоку, а в самих блоках они остаются неизменными с моме.~та образования под влия нием анизотропии литосферы, возникшей на самых ранних стадиях ее развития; в породах разного возраста имеет место передача анизо тропии снизу вверх. Установлено также, что сейсмоrенные трещины в коренных породах не образуют новых направлений, а наследуют уже существующие [12]. Очертания плит литосферы предопредел ены анизотропией дорифтового фундамента. Интересно отметить, что автор работы [12] вслед за Ж.Гоrелем (1969 r.) сомневается в возможности использования данных о направлениях трещиноватости для выявления тектонических напряжений. С этим, по-видимому, можно согласиться . Еще одним подтверждением является то, что при исследованиях характера разрушения угольных пластов горными ударами в Ки зеловском бассейне еще в начале 1950-х годов было обнаружено, что разрушение происходит почти исключительно по имеющимся в пласте поверхностям ослабления вне зависимости от направления прило жения нагрузок [37] . 273 _ Участки земной коры и литосферы могут находится при этом в Планетарное поле напряжений , определяемое суммарным воз следующих состояниях: упругое состояние массива под действием сил является постоянно действующим, но меняющимся во времени с со~тояние массива на некоторую глубину от земной поверхности под действием Солнца, планет, годичным и суточным вращениями Земли, периодами от нескольких часов до геологических эпох. Поскольку изменения этого поля в пределах сравнительно небольших участков времени (до десятков лет) незначительные (например, лунно-сол: нечные приливы приводят к появлению дополнительных напряжении всего лишь до 0,1 МПа [37), то планетарные силы можно исключить из рассмотрения при оценке силовых параметров, определяющих условия поведения массива горных пород на данном (ограниченном) отрезке времени. Однако при этом необходимо иметь в виду, что циклический характер влияния планетарных сил (например, лунно гравитации и активных горизонтальных сил; предельно напряженное деиствием сил гравитации и активных ~:_оризонтальных сил; предельно напряженное состояние массива всей толщи земной коры под дейст вием сил гравитации и активных горизонтальных сил; вязкое (жидкое) состояние массива в астеносфере под действием сил гравитации. VНапряженное состояние массива горных пород применительно к этои классификации рассмотрено выше. 3. Расчет напряжений, проницаемости и влагоемкости массива пород с учетом его блочной структуры. При освоении недр (добыча полезных ископаемых, строительство солнечные приливы) является ответственным за создание условий подземных и наземных сооружений, создание водохранилищ и пр.), при решении многих важных практических вопросов техногенное поле напряжений. К настоящему времени наука геомеха н.естабилы-юсти в поведении земной коры. Это должно учитываться 6. Все явления и процессы в земной коре, в том числе землетря- сения, толчки, горные удары, движение жидкости и газа и другие, необходимо рассматривать с единой позиции: закономерностей пове дения массива горных пород, находящегося в естественных условиях или под влиянием техногенного воздействия в предельно напряженном состоянии. При этом предельно напряженное состояние участка мас сива или в целом земной коры должно рассматриваться как вид, форма как известно, на естественное поле напряжений накладывается еще и ника располагает достаточными данными для решения вопросов оцен ки и учета при инженерной деятельности аспектов напряженного и га зоrидродинамическоrо состояния массива горных пород (см. выше). 4. Одним из крупных вопросов является оперативное определение и характер использования ~ля науки и практики таких параметров, как физико-механические своиства пород различных составов в условиях соответствующих температур, величин Н 11 " и Нг' так же как функций или условия существования системы, в то время как составные части этой системы, так же как и сам материал, могут быть при этом в температуры и напряженного состояния. Если для получения данных упругом или ином состоянии, далеком от предельного. ственных исследований на установках высокого давления, в том числе о физико-механических свойствах необходимо проведение непосред на установке «Геоэнерrия» конструкции ВНИМИ 12.2. ОЦЕННА И ПРОГНОЗ СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД НА ОСНОВЕ МЕТОДА ГЕОДИНАМИЧЕСНОГО РАЙОНИРОВАНИЯ - ВНИИБТ по испы танию крупногабаритных образцов в условиях, приближенных к натур ным, имитирующих глубины до 15 км, то для определения Н и Н можно восп~льзоваться уже имеющимися данными геофизи~~ски{ исследовании, в т~м числе и в нашей стране. Например, верхнюю границу идеальнои пластичности Н 11 " можно с известным прибли жением установить по отношению скоростей поперечных V и про При решении этих вопросов представляется возможным опираться на следующие, уже достаточно разработанные предпосылки. дольных волн VP, когда оно достигает величины 0,5. При исчез~овении 1. Выявление блочной структуры земной коры и литосферы в це лом, активных разломов, тектонически напряженных и разгруженных зон, руководствуясь принципом «от общего к частному», т. е. от земной ровичича (М) является нижней границей земной коры. Однако, по коры как единой системы литосферньк плит до метаблоков и блоков скоростеи прохождения упругих волн с учетом реального напряженного разного ранга, в конечном счете - до макроструктуры горных пород. 2. Оценка напряжений в массиве горных пород на любых участках земной коры и литосферы в целом также по принципу «от общего к частному». 274 поперечных волн породы, по-видимому, переходят в «жидкое» состоя ние (Н,). Предположит~льно можно принимать, что поверхность Мохо видимо~7, нужна критическая перепроверка методики определения состояния. Последнее, возможно, позволит уточнить положение по верхности Мохоровичича и, как нам представляется, толщину земной коры и литосферы в целом в сторону ее увеличения. 275 12.З. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ-СИЛОВАЯ ТЕОРИЯ И 12.4. ОТДЕЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОВЕДЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД В ЗОНАХ ПРЕДЕЛЬНО КЛАССИФИКАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ Успешный опыт решения проблем горных ударов и выбросов в последние пятьдесят лет позволил сделать существенные наработки в общую теорию толчкообразного поведения массива горных пород. В последние десятилетия в нашей стране [37, 39] созданы энерге тическая теория горных ударов, энергетически-силовая теория вне запных выбросов угля, пород и газа, а также - основы общей теории этих явлений. Разработана энергетически-силовая классификация ди намических явлений, которая была положена в основу создания по ли нии Европейской Экономической Комиссии Международной клас сификации динамических явлений в шахтах. Принцип построения этой классификации положен впоследствии в основу разработки общей классификации rеодинамических явлений, которая включает и техно генные и естественные землетрясения (см. главу 9). Создание теории толчкообразного поведения массива горных пород кроме использования разработанных теорий, должно базироваться на применении фундаментальных закономерностей поведения массива, установленных в последние сорок лет [4, 39, 48 и др.]: закономерность возникновения тектонически напряженных зон в массиве горных пород (у границ развивающегося разлома текто нического нарушения, при подвижках по неровным поверхностям структурных элементов массива, в местах изменения мощностей бо НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ Отдельные количественные показатели и параметры толчкооб разного поведения массива горных пород в зонах предельно нап женноrо состояния представлены на рис 12.1. ::~;i.::::~~~~:~:: ;.~;;:.:::;:.:: ~:iiи~:::~o~ ;.:;:::: отн Показатель N хрупкого разрушения участка массива п~род есть женошение u р скорости наrруже ния к его скорости «релаксации» напря- принимая во внимание что вых:;~ ~о;::~а:з~~;дз~:;~:::~~\::~:в:;и~~с~кz~~~ ;ор~:~~:~~о б при возрастании скорости перемещения поверхности обнажения масси ва повышается концентрация напряжений и, следовательно, интенсив ность хрупкого разрушения в призабойной области (см. рис. 3.2 и 3.3). Указанные закономерности и следствия из них являются все объемлющими, если рассматривать их для оценки поведения массива горных пород как в пределах земной коры в целом, так и в пределах ее отдельных участков. * Диплом на открытие № 337 (см. главу 3) 276 , :::i::;;;,o::::::;i::::i~I!E!;::::EEic[:i; пок~ателя хрупкого разрушения материала от этого не меняется оказатель динамичности Кд - отношение энергии, накопле~ной ;;~:a;:и~i;ix~:~:;;:и~б:eai~;~:и::~~p::я°i:;i;i:;;~~~~;~:;;;: ния пород в этои области. Показатель Кд характериз ет интенсив ность или катастрофичность проявления хрупкого разрiшения, в том Предельно напряженное состояние земной коры и массива горных пород закономерность притока энергии упругих деформаций из окру- закономерность разрушения горных поr,щ* заключающаяся в том, что я- Поuказатель неустойчивости К есть отношение эне rии лее прочных слоев пород и др.) и соответственно - разгруженных зон (например, см. рис. 7 .27); жающих областей пород при хрупком разрушении (подвижках) в массиве, в результате чего эти разрушения происходят толчкообразно, т.е. являются динамическими (см. параграфы 9.1 и 9.2): р 1 1 l 1 Показатель Показатель Показатель неустойчи- хрупкого вости разрушения w w- , К=->1 кр V V N=-1!... >1 р l l 1 Показатель Показатель Показатель динамич- ТОЛЧКО· нестабильно- нестабильно- ности образности сти плане- сти техно- тарный генный w K=..J!J>O K=~'(V} <1 д w ' F р ст К.сп= f(f) К' =N=~ V исп.n. р кис.т.= v+X.t Рис. 12.1. Отдельные показатели и па ам дения массива горных пород и зонах предерльно етры толчкообразного пове напряженного состояния . 277 числе , например, горного удара или землетрясения. Коэффициент динамичности повышается по мере развития горного удара, так как имеет место процесс снижения модуля упругости разгружающихся Глава пород . Показатель толчкообразности Кт - отношение силы трения при движении к силе трения при покое, которое, как известно, меньше единицы. То, что сила трения при движении меньше силы трен.ия при 13. покое, объясняет тот факт, что при толчкообразной подвижке по НАПРАВЛЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ поверхности проскальзывание происходит несколько дальше, чем это РАЗВИТИЯ ГЕОДИНАМИКИ НЕДР контактам структурных элементов или по вновь образовавшейся необходимо для равновесия, и тем закладывается возможность после дующего толчкообразного проскальзывания: чем больше Кт, тем реже и интенсивнее толчкообразность разрушения. Величина К" зависит от величины силы трения. Если далее учесть, что скорость дефор мирования (в том числе и при скольжении) возрастает по мере приб лижения к пределу прочности, то величина Кт при этом не остается постоянной. Показатель нестабильности планетарный К11 с. п. может быть сведен на первом этапе к решению нестабильности, возникающей в результате лунно-солнечных приливов, и, следовательно, он есть функция вели чины ускорения при изменении волны прилива и времени ее действия. Представляется возможным разработать метод расчета величин дефор маций земной коры в районе активных разломов, происходящих за счет раздельности «работы» соседних блоков под воздействием при ливных напряжений, а также выявить усталостную реакцию соору жений и линейных объектов (железные дороги, трубопроводы и др.) на действие приливных напряжений. Показатель нестабильности техногенный К. есть функция ско рости ведения горных работ и может быть выра;;· н в двух видах . Во первых, показатель зависит от скорости внедрения в массив горных пород, и здесь он будет перекликаться с показателем хрупкого разру шения N. Во-вторых, показатель К 11 с.т. отражает скорость развития Многочисленные результаты исследований, изложенные в преды дущих главах книги, позволяют достаточно полно представить себе со держание геодинамики недр как одной из наук O Земле. Отсюда же могут быть сформул~рованы научные и организационно-технические направления дальнеишеrо развития этой новой отрасли науки и пути практического использования ее результатов для наиболее эффектив ного и безопасного освоения недр и земной поверхности. В этом направлении можно сослаться на полезный опыт последних лет. На р~с. 13.1 пр~ведена схема, иллюстрирующая основное содер жание деиствующеи с 1996 r. Межотраслевой координационной про граммы «Геодинамическая безопасность». Программа включает 25 про блем ~азных отраслей промышленности, занятых освоением недр и земнои поверхности в России, поддерживается Госrортехнадзором РФ академиями РАН_, МАНЭБ, АГН и РАЕН. Головным института~ является ВНИМИ*. Представленная схема, по мнению авторов, доста точно характеризует задачи и направления развития и использования геодинамики недр. горных работ, а также скорость расширения выработанного прост Основное направление - создание общей теории толчкообразного деформирования массива горных пород, развитие и совершенст шахтного поля или месторождения в целом). В процессе дальнейших исследований должны быть уточнены его повсеместное применение. ' Как уже отмечалось, в этом направлении в российской горной ранства, но с непременным учетом общего объема (стадия отработки приведенные показатели и установлены другие показатели и пара метры, характеризующие поведение пород в зонах предельно на пряженного состояния массива . вование на ее основе методики rеодинамическоrо районирования недр науке имеются существенные наработки, однако многое предстоит еще сделать как для более глубокого развития имеющихся наработок так и для получения принципиально новых результатов. * ' Руководитель программы А.М.Ильин, научный руководитель И . М . Петухов. 279 i Развитие геодинамики недр внутри него, то расчеты возможно выполнять последовательно, напри 1 мер, для системы мегаблоков внутри литосферной плиты , затем для системы блоков I ранга внутри мегаблоков и т. д., а математическое Создан~~е общей теории Выполнение работ по Управление геодина толчкооб разного деформирова- геодинамическому райони- мическим состоянием ния массив а гор ных пород рованию земной коры массива горных пород моделирование для блочной структуры практически любой сложности осуществимо достаточно экономичными средствами. Значительные работы предстоит выполнить также в области физи ческого моделирования процессов энергообмена, процессов управ ления и использования геоэнергии при внедрении породоразрушаю _ х >< с. Е ~ "' с. "' :s: 1Q) u :;; u"' "' с. :;; "' а: с:: :s: >< :r: ~ ~ :т с. :s: ~:;; с. "' :r: ,:s: :s: :s: ct "'с:, ~ ~~ :s: >< "' :s t; 5 ,:s: u с:, ~ Q) :s: :r: :;; "' :s: с. с:: ~ ~ >"' ::s: с. с:, с:: Рис. -eе "' "' с:, с:, :,: :s: :s: :т с: с. о с:, 1- :;; :з: f= g- :s: ..... с., с:, а. 1 ::,; "' с:, "' !~ ~ :s: с. :r: ct с:, Q) ,:s: :r: с. \С) ; ~ "' "' :r: с. ..а с:: с. Q) :;; е "' :r: "' :r: :s: Q) с., ~ сх: :s: :r: Q) 13.1. о Q) u"' u Q) :т с:, :s: с:, о с: с. с:: Q) :s :,: с., сх: ::с "' :r: с:, = Q) с: е :,: "' с:, "' :r: :r: о :s: i:: ,..~ :;;"' ::r:s: 1 "'u ::r !:i: :s :s: g 1,_______ :r: g i о"' i:::"' с. ~~ с. :s: :;; с:, ~ :,: :s: "':r:- "':r::s: ~ ~ :r: ..а "' :r: ~ g- -eu с:, ,:s: о :r: :;; ,:s: с:, с:: :r: ,:s ~ :s "' ь. ~ ~ 2 ~ Q) с. с. :,: Q) с. а: с. с:: "' "' :,: с:, 1- u :,: "' >- :;; :s: :т а: ::::г "' :,: :s: §i :з: u -e1- .... :s: Q) ,:s: u Q) u с: "' ~ ~ ~ .__ __, .__ а, · с., :т _ __, _ c:, u .__ .__ Е u "' u ~ >- u с. "' ,g :;; :;; :;; "' Q) с:, :s: с:: с:, 'g § "' :;; "' с. ::::гс:, ai "' = :s :s: ct =а "' :r: с:, с. с:, :;; :s: Q) с:: s "' Q) Q) Q) с:, :r: ~ ~ t; с. с:: ~~ с. с:, а: с. !;;..~ с:, :r: ::r: :s >< "' "' с:, Е >- сх: Одно из направлений развития геодинамики недр - широкое ct = >< :s: :r: ct Q) с:: с: Q) :;; "' о :s: с:, ="' = .., ~ ~ с. ""'"':s: u u :::;; "' "" :r: '° щим инструментом, в том числе на установке «Геоэнергия». ..-- :s: 1u о :r: :r: Q) "'"' с. ж :r: g е :s: :;; .,._ :;; 3>- :2i 6 ......._ _......._ _ L.- с:, "' Q) :r: с: :r: ~ Q) :s: :r: "' ~ с:, u .__ с:, u е с., а: ~ с. g_~ :s "' "' :s: 1- с:, с. ,-. "' Q) :;; :;; с:, 1- а, <С "' с. "' с:: работ потребуется автоматизация операций геодинамического райони с:, :,: рования и создание обширного банка данных на соответствующие ре u Q) :т гионы земной коры. Предстоят работы по широкому проведению ис следований на геодинамических полигонах, закладываемых в районах :s: :;; "' :r: :s: :з: активных разломов различных типов с учащенной во времени регис ..а трацией деформаций, перемещений, геодинамических, химико-био 1- u "' "' ческого районирования для выделения блочных структур литосферных плит, мегаблоков и блоков I, II и других рангов. Для выполнения этих а: u а: :s: :r: Q) :s: \С) != u ~ 1- :,: "' :r: практическое использование и совершенствование метода геодинами с:: iE "' :;; != u >< :;; :r: :r: ct сх: :s: :r: с: логических и других параметров. с:, с. Наличие оперативной и надежной оценки состояния массива :r: ct :,: с. :s: § горных пород, прогноза его изменения с учетом техногенного воздей "' >< ствия, контроля состояния во времени и пространстве позволит выпол о с. с:, с:, ~ ~ с. с:: с:, .... (О~ :,: :s: :r: uu Q) ::::г"' о:;; Направления развития геодинамики недр. нять разработку способов и средств управления состоянием массива, управления процессами использования геоэнергии в практической деятельности при освоении недр. Метод геодинамического районироваuия недр, наконец, должен найти более широкое использование в ряде других наук о Земле. Трудно себе представить, как, не раскрыв блочную структуру земной коры, ее напряженное состояние и др., можно ставить и решать многие Например , дол жны быть выполнены работы по совершенствова крупные вопросы геотектоники и геологии. Поэтому метод геоди нию методики реше ния плоской и объемной задач для математичес намического районирования должен стать одним из ведущих методов кого моделирования сложного блочного массива горных пород в целях комплексного изучения строения и состояния земной коры по прин получения достоверных данных о его напряженном состоянии, прони ципу «от общего к частному». цаемост и , влаrогазоемкости и других свойствах, прогнозирования их изменения во времени и под влиянием техногенного воздействия. При матем атическом моделировании сложных блочных структур рекомен дуется ис пользо вать принцип «от общего к частному», заложенный в основу геодинам ического районирования [4]. Поскольку этот принцип в нашем случае предусматривает не только геометрические соотно шени я, н о rи наличие силового взаимодействия между блоками высше го ранга п о отношению к блокам более низшего ранга , расположенным 280 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Геодинамика недр призвана решать проблемы обеспечения эффек Наука и практика, по мнению авторов, располагают к настоящему тивности геодинамической безопасности, соблюдения экологии при времени необходимыми кадрами и лабораторной базой для решения освоении недр и земной поверхности посредством управления состоя этой крупной проблемы. нием массива горных пород на основе оперативной оценки, прогноза В заключение необходимо обратить внимание на метод геодина и контроля этого состояния с помощью комплексного метода геоди мического районирования недр с позиций использования его в других намического районирования. науках о Земле. В самом деле, этот метод может оказаться весьма Дальнейшее развитие геодинамики недр будет способствовать раз полезным для геологии, геофизики, геотектоники и др., как метод, работке принципов и комплекса глобальных мер и средств по управ освещающий современное блочное состояние земной коры, ее напря лению состоянием отдельных регионов земной коры для снижения ка женное состояние по принципу «от общего к частному». Этот метод тастрофичности происходящих в них явлений и процессов. Как уже отмечалось, одной из важнейших задач геодинамики недр является выполнение работ по геодинамическому районированию как в целом на территориях Евразийской и других литосферных плит, так и отдельных регионах, особо насыщенных техногенной деятельностью по освоению недр и земной поверхности, включая выделение мега блоков I, II и III рангов, блоков 1, II, III, IV и V рангов, исходя из слож ности и величины территории, занимаемой тем или другим объектом. Более того, Россия, обладающая методом геодинамического райони рования, могла бы выполнять аналогичные работы для многих райо нов Запада, Ближнего Востока, Китая и др. при активном участии, естественно, зарубежных специалистов. Здесь важно соблюсти единые научные и методические подходы, что позволит выполнить эти работы наиболее эффективно. Вместе с тем авторы отдают себе отчет в том, что эта новая отрасль наук о Земле сама еще нуждается в дальнейшем развитии и совер шенствовании как в области создания общей теории толчкообразного деформирования массива горных пород, так и в области разработки способов и средств управления геоэнергией и геодинамической безо пасностью. 282 создан и применяется не вопреки, тем более не взамен методам иссле дований, принятым в указанных науках, а в помощь им, значительно расширяя представления о планете Земля. 14. Зонненшайн Л.П., Савостин Л.А. Введение в геодинамику. Недра , 15 . М.: Зубков В.В. О напряженном состоянии и устойчивости упругих блоков, взаимодействующих на границе . трещин и механизма разрушения . 16. - 1979. - // В сб.: Проблемы теории Л . : ЛГУ, 1986, вып. 15, с. 3-17. Зубков В.В., Зубкова И.А. Напряженное состояние в окрестности выработок сложной формы в плане при отработке сближенных пластов свиты . разрушение. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 17. - // В сб . : Напряженное состояние горных пород и их Фрунзе: Илим , 1986, с. 100- 104. Зубков В.В., Петухов И.М., Ходырев Е.Д. Геофильтрационный прог ноз в условиях тектонически нарушенных месторождений. Геодинамика месторождений. 18. 1. Андреев С.И., Грамберг С.И. (редакторы) Металлогеническая зональ ность Мирового океана. ВНИИОкеангеология, СПб, 2. Актуальные проблемы геодинамики. Наука, 3. 4. 6. 7. Тр. Академии наук. с. - 20. Кротов Н.В., Калачик А.К. Геобезопасность угольной шахты на ос М .: Мир, 1991. с.206-213. ная добыча угля на базе современных достижений геомеханики. СПб: ВНИМИ, 1988, 166 с., Индия, - М.: 1990. 21. 1997, с. - 149-154. Кротов Н.В., Дупак Ю.Н., Вернигор В. М., Веселов А.П. Геодинами Влияние инженерной деятельности на сейсмический режим./ Бабаев ческая оценка отработки мульдовой части Воркутинского месторож А.М., Кулагин В.К., Лысков А.М. и др. дения . //В сб.: Проблемы геодинамической безопасности. - М .: Наука, Воздвиженский Б.И., Ребрик Б.М. В глубь Земли. - 1977. М.: Недра, вними, 1989. Временные указания по выявлению и контролю зон риска возникно 22. 1997, с. - СПб: 120-122. Кузнецов А . В. , Канин В.А., Леонf/6 А.Н. Исследование режима филь вения аварий и чрезвычайных ситуаций при освоении недр и земной трации в ЗПГД. //В сб .: Горные удары, шахтная геология и геофизика. поверхности на основе геодинамического районирования недр. /Яков - Л., ВНИМИ, 1988, с. lJ-13. 23. Лазаревич ТИ., Мулев С.Н. Опыт мониторинговых наблюдений - с. 1997, 12 геодинамических процессов в Кузбассе. // Проблемы rеодинамической Выемка крутых пластов угля с помощью канатных пил: Материалы - Л.: ВНИМИ, 1961, безопасности . II Международное совещание СПб: ВНИМИ, 1997, с . 17-24. 24-27 июня 1997 г. - 24. Лазаревич ТИ. Геодинамическая безопасность при освоении недр и 153 . Геодинамическое районирование месторождений Та-ань. Горный ин земной поверхности в Кузбассе. // Экология и развитие Северо-Запада формационный бюллетень. /И .М . Батугина, С.И. Петухов, А.С . России . //Сб. докл. 3-ей Международной конференции , 1998. 25. Лаптев Б.В. Предотвращение газодинамических явлений на калий ных рудниках. - М.: Недра, 1994. 26. Литвинов Э.М., Андреев С.И., Астрафурова Е.Г. и др. Глубинное - М .: МГГУ, 1.994 . Геодинамическое районирование недр. Методические указания./ Под ред . И.М . Петухова , И . М. Батугиной. ГрачевА.Ф. Рифтовые зоны Земли . - Л . : ВНИМИ , - Гзовский М.В. Основы тектонофизики . - 1990. 1975. 1987. М.: Недра, М.: Недра, Динамические процессы в геосферах. Геодинамика сильных возму щений. // Тр. ИГД РАН . 284 1988. - Батугина И.М., Петухов И.М. Геодинамическое районирование мес Батугин и др. 11 . 12. 13. Л.: ВНИМИ, Керн У. В поисках закономерностей развития Земли и Вселенной. торождений при проектировании и эксплуатации рудников. с. 10. - 19. нове геомеханической информации , получаемой на разных этапах 1996, рабочего семинара. /Под. ред. И.М. Петухова . v // В сб.: 44-52. освоения угольных месторождений.// В сб.: Эффективная и безопас ВНИМИ: Санкт-Петербург, 9. С. геодинамической опасности. Тр. ВНИМИ , лев Д.В., Петухов И.М., Батугина И.М., Шабаров А.Н. и др. 8. 1990. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разраба тывающих пласты, опасные по горным ударам. М.: 1991. Кемерово, КузПИ, Батугин А.С. Классификация участков земной коры по степени Недра, 5. // 1997. 172 - - М .: 1994. строения и геодинамика литосферы Атлантического и Тихого океа нов . - М. : Наука, 1992, 193 с. 27. Лодус Е.В. Энергообмен при деформировании и разрушении горных пород . Автореф . дисс. д.т.н . - СПб: ВНИМИ, 1993 , 37 с. 285 28. Методические указания по прогнозу ударо- и выбросоопасных зон вблизи разрывных нарушений. 29. - Л.: ВНИМИ , 46. 0.шрнов В.А. Физически е процессы в очагах горных ударов и регио 1990. нальный прогноз их по геофизическим полям: Автореф . дисс. д.т.н. Мулев С.Н., Д.Г. Лопатков, В.А . Яковлев . Геофизический монито ринг рудников «Октябрьский» и «Таймырский» Норильского ГМК. // 47. Физика и механика разрушения горных пород применительно к про гнозу динамических явлений. /Сборник трудов семинара. L995. 48. Мулев С.Н. Экспериментальные исследования системы автоматичес 49. 50. ВНИМИ. С. 30. l l l-118. кого управления добычными механизмами при выемке удароопасных пластов. Совершенствование способов разработки удароопасных // месторождений./ Сборник трудов. Л.: ВНИМИ, 31. Недра, 32. 1986. С . 56-60. - М . : Мир, т. 2, Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. Николаев Н.И. Новейшая тектоника и геодинамика литосферы. Недра, 33. 34. Орлова А.В. Блоковые структуры и рельеф. - М.: Недра, М.: Недра, - - М.: // М . : Недра, 1977. 1972, 1956. - 1983. Петухов И.М. О природе горизонтальных сил в земной коре. - СПб: 1991. Петухов И.М. ЛиньковА.М., Сидоров В.С. и др. Расчетные методы в - Л.: ВНИМИ, Петухов И.М., Батугина И.М. Геодинамика недр. - 1993. М.: Недра, Петухов И.М. К оценке напряженного состояния в литосфере. вними, 44. В сб.: Проблемы rеодинамической 54. Шабаров А.Н. Повышение эффективности rидроотработки угольных и rидроме~аники горного производства: Сборник научных трудов. СПб, 1998, с. 109-114. - 55. Шабаров А.Н., Маркичев Е.И., Гусева Н.В. , Мельников Е.К. Резуль таты выделения rеодинамически и экологически опасных зон на механике горных ударов и выбросов . 42. 43. - М.: Наука, Петухов И.М., Линьков А.М. Механика горных ударов и выбросов . вними, 41. - Петухов И.М. Поддержание горных выработок на больших глубинах. М.: Уrлетехиздат, // безопасности. - СПб, 1997, с . 19-31. пластов в rеодинамически опасных зонах . //Вопросы гидрогеологии 1980. М.: Недра, 40. Изв. Академии 1994. Петухов И.М. Горные удары в угольных шахтах. - 39 . ния проблем rеодинамической безопасности на предприятиях топлив но-энергетического комплекса. Пейве А.В. Глубинные разломы и мобилизм. /В сб . : Разломы и го Китай, 52. 53 . 1975. ризонтальные движения платформенных областей. 38. 1975. Певнев А . К. Об экспериментальной проверке тетконики литосферных наук. Сер. Физика Земли. 37. М.: Охрана подготовительных выработок без целиков. /Н.П. Бажин, В.В. плит и других rеодинамических задач геодезии . 36. - 1988. Райский, Ю.В. Волков и др. 35. 51. 1988. - СПб: ВНИМИ , 1991, 51 с. Суворов А.И. Проблемы пространственной и возрастной корреляции глубинных разломов. - М.: Недра, 1989. Теория защитных пластов. / И . М . Петухов, В.С. Сидоров, И.А. Фельдман, А.М. Линьков . - М .: Недра, 1976. ТеркотД., ШуберДж. Геодинамика . - М .: Мир, 1985. Управление rеомеханическим состоянием массива горных пород . / Пе тухов И.М., Сидоров В.С., Кузнецов В . П. и др. - СПб: ВНИМИ, 1994. Федотов С.А. Землетрясения -уроки и проблемы. //Природа. - 1989. - No 12. - С. 128. Хаин В. Е., Ломизе М. Г. Геотектоника с основами геодинамики. - М . : МГУ, 1995, 477 с. Шабаров А.Н. Геомеханические аспекты, опыт и перспективы реше- - 1996, территории Северо-Западного региона России. 3-я Международная конференция «Экология и развитие еверо-Запада России», 1998. 56. Шейдеггер А. Основы геодинамики . - М. : Недра, 1987. 57 . Эволюция геологических процессов в истории Земли. / Отв. ред. акад . Н.П. Лаверов. - М.: Наука, 1991. 58 . Д.В. Яковлев, Ю.А. Норватов, Ю. С. Исаев и др. Мониторинг rеоди намической и rеоэколоrической безопасности освоения недр и земной поверхности. II Международное совещание 24-27 июня 1997 r. - СПб: вними, 1997, с . 5-18. СПб: 1997 Петухов С.И. Разработка методики выявления блочной структуры океанического дна на основе геометризации для повышения эффек тивности его освоения. Автореф. дисс . к.т. н., МГГУ, 45. 1996, 18 с. Регламентация порядка перехода на региональное управление выбро са- и удароопасностью свит угольных пластов при проектировании и эксплуатации глубоких шахт. 286 - Л.: ВНИМИ , 1992, с. 38. 287

Геодинамика недр. И.М. Петухов 1999г

Разделы

Поддержка

Геодинамика недр. И.М. Петухов 1999г

Добавить этот документ в коллекции

Добавить этот документ в сохраненные

Предложите, как улучшить StudyLib