Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1. Практика геоэкологической оценки в Китае 14
1.1.1. Состояние исследования геоэкологических проблем 14
1.1.2. Геоэкологическая ситуация на шахте Хуафэн 19
1.2. Изменение земной поверхности при подработке 30
1.2.1. Сдвижение горных пород как основной фактор изменений земной поверхности 30
1.2.2. Образование трещин наземной поверхности при подработке 31
1.2.3. Влияние трещиноватости и нарушенности массива на характер деформации земной поверхности при ведении горных работ 35
1.2.4. Аномальные деформации земной поверхности при ведении горных работ 1.3. Изменение поверхностных водотоков на шахте Хуафэн под влиянием горных работ 39
1.4. Изменение земной поверхности при проявлениях техногенной сейсмичности 1.4.1. Техногенная сейсмичность как один из видов изменения состояния земной поверхности в горнопромышленных районах 40
1.4.2. Влияние дизъюнктивных тектонических нарушений на опасность проявления горных ударов и техногенных землетрясений при ведении горных работ 43
1.4.3. Влияние проявления горных ударов и сейсмических воздействий на массив и земную поверхность на шахте Хуафэн 46
1.5. Метод геодинамического районирования как основа для проведения оценки изменений земной поверхности при ведении горных работ 48
1.5.1. Метод геодинамического районирования 48
1.5.2. Область применения метода геодинамического районирования 50
Выводы 52
ГЛАВА 2. Исследование блочного строения шахтного поля 54
2.1. Геодинамическое состояние района шахты Хуафэн 54
2.1.1. Глобальная геодинамическая позиция поля шахты Хуафэн 54
2.1.2. Региональное геодинамическое состояние природной среды шахты Хуафэн ... 60
2.2. Оценка блочного строения района шахты Хуафэн по результатам геодинамического районирования 67
2.2.1. Методика геодинамического районирования 68
2.2.2. Геодинамическое районирование поля шахты Хуафэн 70
2.3. Анализ геологического отражения границ блоков на земной поверхности 74
2.3.1. Изучение сдвигов на поверхности шахтного поля 75
2.3.2. Полевые исследования трещин и границы блоков на поверхности шахтного поля 79
2.3.3. Оценка глубины проникновения фиксируемых на поверхности трещин 84
2.3.4. Установление закономерности образования трещин на земной поверхности шахтного поля 86
Выводы 100
ГЛАВА 3. Исследование механизма взаимодействия природной и технической систем на шахте хуафэн 101
3.1. Изучение взаимосвязи деформации земной поверхности и проявления горных
ударов на основе анализа фактических данных 101
3.1.1. Анализ скорости оседания земной поверхности 101
3.1.2. Анализ проявления горных ударов во времени 102
3.1.3. Анализ связи скорости оседания земной поверхности и количества горных ударов 104
3.1.4. Анализ взаимосвязи между длиной трещин на земной поверхности и выделившейся сейсмической энергией 109
3.2. Обоснование механизма взаимодействия природной и технической систем 111
3.2.1. Краткая характеристика природно-технической системы шахты Хуафэн 111
3.2.2. Механизм взаимодействия природной и технической систем 112
Выводы 115
ГЛАВА 4. Обоснование рекомендаций по снижению влияния горных работ на изменение земной поверхности с учетом полученных результатов 116
4.1. Прогнозная геоэкологическая оценка дальнейшего развития трещин на поверхности шахтного поля 116
4.2. Пути использования полученных результатов для обоснования инженерных мер защиты окружающей среды
4.2.1. Исследование механизма активизации трещин при подработке 119
4.2.2. К обоснованию размеров закладочного массива 123
4.3. Рекомендации по уменьшению изменений земной поверхности на основе установленной закономерности образования трещин на земной поверхности и механизма взаимодействия природной и технической систем 124
4.4. Экономический эффект 124
Выводы 130
Заключение 131
Список литературы
- Изменение земной поверхности при подработке
- Региональное геодинамическое состояние природной среды шахты Хуафэн
- Анализ проявления горных ударов во времени
- Пути использования полученных результатов для обоснования инженерных мер защиты окружающей среды
Введение к работе
Актуальность работы. Ведение горных работ на месторождениях полезных ископаемых является одним из важнейших факторов, вызывающих экологически неблагоприятные изменения земной поверхности и состояния горного массива. Аномальные сдвижения, приводящие к появлению раскрытых трещин на земной поверхности, внезапные провалы, уход вод поверхностных водоемов в горные выработки, сейсмическая активизация тектонических нарушений и другие явления часто проявляются непредсказуемо и неожиданно. Сложилась ситуация, когда нормативные и инструктивные документы могут давать заниженную оценку изменений земной поверхности при ведении горных работ. Одним из таких примеров является шахта Хуафэн, расположенная в китайской провинции Шаньдун. Здесь при достижении глубины ведения горных работ 800 м на земной поверхности стали возникать протяженные трещины, раскрытие которых местами достигало более 1 м.
Развитие трещин на земной поверхности снижает ее хозяйственную ценность, нарушает естественные ландшафты, создает угрозу для реки Чайвэньхэ и ее притока Гучэнхэ. Кроме того, при достижении глубины ведения горных работ 1000 м энергия горных ударов увеличилась до 10 Дж и сейсмическое воздействие от них стало ощущаться на поверхности, ухудшая и без того сложную экологическую ситуацию в районе. Возникла необходимость дать более полные прогноз и оценку изменений земной поверхности в результате ведения горных работ до глубин 1500 м.
Для оценки условий ведения горных работ на месторождениях России и Китая более 30 лет применяется метод геодинамического районирования, основанный на изучении взаимодействия современных блочных структур месторождений. Таким образом, имеется актуальная научно-техническая задача установления закономерности и раскрытия механизма изменений земной поверхности с учетом блочного строения горного массива для обоснования рекомендаций по снижению геоэкологической опасности дальнейшего ведения горных работ на шахте Хуафэн.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является установление закономерности и раскрытие механизма измене-
ний земной поверхности с учетом блочного строения горного массива для обоснования рекомендаций по уменьшению изменений земной поверхности при ведении горных работ на шахте Хуафэн.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Установить особенность геодинамического состояния шахтного поля на основе проведения экспериментальных исследований блочного строения горного массива.
-
Выявить закономерность изменения земной поверхности с образованием на ней трещин под влиянием горных работ.
-
Раскрыть механизм взаимодействия природной и технической систем в условиях шахты Хуафэн на основе изучения связи между процессом деформирования земной поверхности и массива горных пород, проявлением удароопасности и блочным строением шахтного поля.
-
Обосновать рекомендации по уменьшению изменений земной поверхности на базе установленной закономерности образования трещин и механизма взаимодействия природной и технической систем.
Идея работы заключается в том, что блочное строение горного массива оказывает влияние на характер изменений земной поверхности при ведении горных работ, и это следует учитывать при геоэкологической оценке последствий освоения недр.
Методы и методика исследования. Использовался метод геодинамического районирования, включающий выделение блочной структуры шахтного поля, полевые исследования на поверхности шахты, камеральные и расчетные работы; методы математической статистики.
Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
-
Установлена закономерность образования трещин на земной поверхности, согласно которой их образование связано с геодинамикой района, а длина и раскрытие линейно зависят от угла между направлением границы блоков земной коры и ориентировкой очистных выработок.
-
Установлены прямые связи между скоростью оседания земной поверхности и количеством горных ударов и между выделением сейсмической энергии и развитием трещин на земной поверхности.
3. Раскрыт механизм взаимодействия природной и технической систем в условиях шахты Хуафэн, который заключается в циклической реализации процесса: смещение подработанного массива по границе блоков — рост горного давления в зоне ведения горных работ —> проявление горных ударов — сейсмическое воздействие на массив и земную поверхность — дальнейший рост трещин в массиве и на поверхности — облегчение смещения подработанного массива.
Основные научные положения. На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Закономерность образования трещин на земной поверхности связана с геодинамикой района и заключается в том, что их длина и раскрытие в условиях шахты Хуафэн линейно зависят от угла между направлением границы блоков земной коры и ориентировкой очистных выработок, что является основанием для оценки геоэкологических изменений при дальнейшем развитии горных работ.
-
Механизм взаимодействия природной и технической систем на шахте Хуафэн заключается в циклической реализации процесса: смещение подработанного массива по границе блоков — рост горного давления в зоне ведения горных работ — проявление горных ударов — сейсмическое воздействие на массив и земную поверхность —> дальнейший рост трещин в массиве и на поверхности — облегчение смещения подработанного массива.
-
На базе установленной закономерности образования трещин на земной поверхности и механизма взаимодействия природной и технической систем обоснованы рекомендации по уменьшению изменений земной поверхности: увеличение угла между направлением границы блоков земной коры и ориентировкой очистных выработок; ведение горных работ с выборочной закладкой выработанного пространства.
Достоверность научных положений подтверждается результатами анализа имеющихся литературных и фондовых данных по геодинамическому состоянию и тектоническому строению района расположения шахты, а также схемы геодинамического районирования, составленной при проведении исследований; результатами статистической обработки материалов, полученных на протяжении двух сезонов полевых исследований на поверхности шахты и вдоль трассы Мэн-шаньского разлома; удовлетворительной корреляцией данных о скорости оседания земной поверхности, проявлении сильных горных
ударов и размерами трещин на поверхности; корректным применением методов полевых исследований и математической статистики.
Практическое значение работы заключается в выявлении блочного строения шахтного поля, установлении зависимостей длины и ширины раскрытия трещин на поверхности от угла между направлением границы блоков (II ранга) земной коры и ориентировкой очистных выработок, установлении связи между скоростью оседания земной поверхности и количеством горных ударов, между количеством выделившейся сейсмической энергии и длиной трещин на поверхности, обосновании рекомендаций по снижению геоэкологической опасности. Результаты выполненной работы апробированы на шахте Хуа-фэн и могут быть использованы на других шахтах.
Личный вклад автора выразился в непосредственном участии на всех этапах исследований: при планировании работ, сборе, обобщении литературной и др. информации, составлении карт блочного строения шахтного поля, проведении экспериментальных работ, анализе полученных данных и выявлении закономерностей, обосновании практических рекомендаций.
Апробация работы проведена в рамках международного научного симпозиума «Неделя горняка» (Москва, 2012, 2013, 2014, 2015 гг.), на международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в МГГУ (Москва, 2013, 2014). Результаты работы апробированы автором диссертации на шахте Хуафэн. Исследования проводились в составе международного научного проекта № TS2010ZGKY[BJ]018 (Китай-Россия). Итоги исследований опубликованы в 8 научных работах.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Ее объем составляет 181 страниц машинописного текста и включает 59 рисунков, 20 таблиц, 2 приложения. Список литературы включает 298 источников.
Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям доктору технических наук, профессору А.С. Ватутину и доктору технических наук, профессору И.М. Ватутиной за постоянное внимание и огромную помощь в течение обучения и написания диссертации в аспирантуре. Автор признателен руководству и сотрудникам шахты Хуафэн за предоставление данных и возможность провести экспериментальные работы, профессору Китайского геологического университета (г. Пекин) Duan Hongmei, профессору и преподавателю Китай-
ского горного университета (г. Пекин) Zhao Jingli и Wang Zhiqiang, профессору Пекинского университета науки и технологий Li Cuiping, преподавателю Ляонинского инженерно-технического университета Lan Tianwei, коллективу кафедры «Горнопромышленная экология» Московского горного института НИТУ «МИСиС» и др. за помощь.
Изменение земной поверхности при подработке
В настоящее время горная промышленность быстро развивается во всем мире, особенно в Китае. Китай богат минеральными ресурсами. По запасам минералов, составляющим 12% мировых залежей, Китай занимает третье место в мире. К настоящему времени в Китае обнаружен 171 вид полезных ископаемых, из которых для 158 подтверждены запасы (включая богатые запасы 10 видов энергетических ресурсов, 5 видов черных металлов, 41 вид цветных металлов, 8 пород редких и драгоценных металлов, 91 порода неметаллических руд, 3 вида гидроископаемых).
Китай является одной из немногих стран, в которых находится большое количество месторождений различных полезных ископаемых. По имеющимся данным Китай занимает третье место в мире по 25 видам полезных ископаемых из 45 главных видов и первое место по запасам 12 видов полезных ископаемых, таких как редкоземельные металлы, гипс, ванадий, титан, тантал, вольфрам, бентонит, графит, мирабилит, барит, магнезит и сурьма.
Угольные ресурсы являются одними из основных минеральных ресурсов. По запасам угля Китай занимает 3-е место в мире. Разведанные запасы угля в Китае оцениваются в 1 триллион тонн. Залежи каменного угля главным образом расположены в северо-центральной и северо-западной частях страны, в частности в провинциях Шаньси, Шэньси, Внутренней Монголии и в других районах. Китай потребляет примерно половину от мирового производства твердого топлива. В последние годы в Китае объем добычи угля быстро растет, в 2012 году объём добычи угля составил 3,66 миллиарда тонн. Из них подземным способом добыто более 90% угля[239, 282]. По имеющимся данным, в Китае добыча каждых десяти тысяч тонн угля приводит к нарушению 0,2 км2 земли[282]. На современном этапе экономического развития увеличивается спрос на минеральные ресурсы. Частные добывающие компании однобоко стремятся к экономической эффективности и часто пренебрегают вопросами безопасности и защиты окружающей среды, что в сочетании со сравнительно отсталой технологией добычи и отсталым оборудованием приводит к возникновению экологических проблем.
Это является следствием того, что в течение долгого времени в Китае обращали большое внимание только на освоение минеральных ресурсов, их запасы, технологии и технику разработки, увеличение производства, а вопросы защиты окружающей среды во внимание не принимались. Китай идет по экстенсивному пути, отсюда появляется много проблем с состоянием окружающей среды, в том числе с состоянием земной поверхности в горнопромышленных районах. По имеющимся данным, в процессе ведения горных работ (при добыче полезных ископаемых) в основном существуют следующие геоэкологические проблемы[217]: а. Загрязнение окружающей среды: загрязнение воды, загрязнение воздуха, загрязнение почвы и т.д.; б. Нерациональное использование ресурсов: расточительство, разрушение полезных ископаемых, занятие и разрушение земельных ресурсов, уничтожение и загрязнение почвенного слоя и растительного покрова, уничтожение водных ресурсов, разрушение ландшафта и т.д.; в. Инженерно-геологические процессы и явления: обвалы, оползни, сели, провалы на земной поверхности, трещины на земной поверхности, прорыв хвостов, эрозия почвы, сейсмическое воздействие горных ударов и др.
Согласно закону «Оценка воздействия на окружающую среду КНР» и другим законам при ведении горных работ необходимо давать прогноз и оценку влияния горного производства на окружающую среду.
Проблема геоэкологической оценки состояния природно-технической системы рассмотрена рядом китайских и зарубежных авторов. Вопросам, связанным с изучением геоэкологических проблем под влиянием ведения горных работ, и их оценкой посвящены работы многих ученых. Например, китайские ученые Chen Mengxiong и Lin Jingxing впервые обратили внимание на геоэкологические проблемы в Китае, далее Xu Youning проводит работы по обследованию и исследованию горно-геологической среды. Shi Longqing занимается оценкой инженерно-геологической среды в горнодобывающих районах. Guo Guangli занимается оценкой оседания земной поверхности при разработке. Ученые Bai Zhongke, Bian Zhengfu и Hu Zhenqi сделали большие успехи в области рекультивации земель и восстановления экосистемы горнодобывающих районов. Ma Yundong предложил систему индекс-оценки устойчивого развития горнодобывающих районов и горнопромышленных городов, и метод их оценки. Также больших успехов добились многие другие ученые, такие как Han Baoping, Zhang Zuochen.
Изучением механики и сдвижения горных пород занимался широкий круг ученых. Не Manchao создал теорию механики массива горных пород на основе механизма деформирования мягкой породы. Qian Minggao предложил механическую модель с накоплением слоя блоков, создал метод диагностики неисправности системы «опора - окружающая порода», обеспечил безопасность в механизированных забоях. Guo Zengzhang занимается закономерностью оседания земной поверхности при больших глубинах, впервые предложил метод расчета сдвижения и деформации земной поверхности при больших глубинах с помощью функции плотности вероятности. Xie Heping создал механическую модель макроскопического повреждения массива горных пород с трещинами, исследует непрерывную деформацию массива горных пород с трещинами с помощью фрактального метода, получил хорошие результаты. Zhang Yuzhuo внедрил теорию нечетких множеств в теорию механики горных пород, вышел на новый уровень исследования геомеханических процессов. Ученые Во Jianbiao, Guo Weijia, Kang Hongpu, Wang Yuehan, Xu Jialin продвинулись в области управления массивом горных пород в выработках. Deng Kezhong, Не Guoqing, Kang Jianrong, Ma Weimin, Wu Kan, Wu Lixin, Yu Guangming получили хорошие результаты в прогнозах оседания земной поверхности. Dai Huayang, Guo Wenbing, Li Dehai, Tan Zhixiang, Zou Youfeng внесли большой вклад в технологию добычи угля при разработках под сооружениями, железными дорогами и водоемами. Также известны своими работами по сдвижению такие китайские ученые, как Li Yongshu, Liu Dongshen, Tang Shaohui, Wang Xiaogang, Wang Jingming, Wang Laigui и др. Тем не менее, несмотря на имеющиеся результаты исследований, такие сложные вопросы, как проявление аномальных сдвижений (как на шахте Хуафэн), опасность проявления сильных горных ударов с сотрясением земной поверхности, еще до конца не изучены. В качестве примера можно привести ту же шахту Хуафэн, на которой проводились научно-исследовательские работы Китайским горным университетом, Шаньдуньским техническим университетом, Ляонинским инженерно-техническим университетом и другими. Над возникшими здесь проблемами работали также иностранные специалисты из Польши и России по горным ударам.
Региональное геодинамическое состояние природной среды шахты Хуафэн
Глобальная геодинамическая позиция поля шахты Хуафэн Шахта Хуафэн расположена в провинции Шаньдун на востоке Китая. На рисунке 2.1 представлена схема геодинамического районирования территории Китая с нанесением разломов и местоположения шахты Хуафэн. Из рисунка следует, что поле шахты Хуафэн расположено в зоне влияния двух глобальных разломов Тан-Лу и Куньлунь. Кроме того, через шахту проходит зона влияния 35 градусов северной широты, которая считается критической, поскольку она связана с изменением скорости вращения Земли.
Разлом Тан-Лу относится к системе глубинных разломов, имеет протяженность более 2400 км на территории Китая, ширину от несколько десятков до 200 км, азимут простирания 10-20. Разлом Тан-Лу прослеживается на восточной части Китая и проходит через провинцию Хэйлунцзян в Россию, является крупнейшим на окраине Азии левым сдвигом. Китайский ученый Сюй Цзявэй обнаружил разлом Тан-Лу и считает, что его амплитуда достигает 740 км (рисунок 2.2). По его мнению, этот разлом, возможно, дальше продолжается на юг Китая [279]. В настоящее время разлом Тан-Лу имеет скорость горизонтального скольжения около 2,3 мм/год.
Результаты геодинамического районирования также подтвердили такую позицию, что «геодинамический» разлом Тан-Лу значительно превосходит размеры «геологического» разлома Тан-Лу и дальше продолжается на юг Китая (рисунок 2.1). На участке ВС выделенный методом геодинамического районирования разлом не подтверждается геологически, на этом участке проявляются землетрясения.
С древних времен около системы глубинных разломов Тан-Лу сейсмическая активность разной степени не прерывалась, что показывает, что разломы активны и представляют собой активную сейсмическую зону. По данным статистики, с 1400-го года до сих пор в пределах 200 км от центра разлома Тан-Лу произошло 17 сильных землетрясений с магнитудой 6-8,5.
Эти характеристики разломов могут влиять не только на геологические условия данного района, но и на ведение горных работ и их безопасность. Полевые исследования показали, что сдвиги в районе шахты носят в основном левый характер.
Зона разломов Куньлунь находится на южном подножии хребта Куньлунь, является активной зоной разломов северной части Тибетского блока. Она состоит из нескольких взбросо-сдвиговых разломов и имеет простирание с азимутом 280-300, длину более 2000 км. Эта зона разломов разделяет Китай на две части: южную и северную. На карте геодинамического районирования I ранга разлом Куньлунь фиксируется границей блоков аналогичной ориентировки (рисунок 2.1). В восточной своей части, попадая в зону влияния разлома Тан-Лу, он разветвляется и одно из его ответвлений идет в сторону шахты Хуафэн. Разлом Куньлунь по геологическим данным является разломом, который в основном имеет лево-сдвиговое движение.
Разлом Куньлунь состоит из 7 участков первой ступени, длины которых составляют 50-270 км. Участок первой ступени разделяется на участки второй и третьей ступени. Их разделяют структуры растяжения и структуры сжатия и поднятия. В зоне разломов за прошлые 100 лет произошло более 16 землетрясений с магнитудой выше 6, в том числе магнитуда некоторых составила 8. Кроме того, разлом Куньлунь совпадает с зоной влияния критической широты 35-й параллели.
В силу модели внутреннего строения Земли (рисунок 2.3 а) отдельные ее слои от ядра до верхней мантии и земной коры имеют разную плотность. Угловая скорость вращения Земли везде одинакова, линейная же различна, причем максимум ее приходится на экватор. В местах наибольшей кривизны кривой плотности (рисунок 2.3 б) наблюдается появление срезающих сил верхней «шапки» относительно центральной части. Указанный максимум кривизны располагается примерно у 35-й параллели. Этой широте соответствуют, согласно исследованиям Г.Н. Каттерфельда, М.В. Стоваса, точки перегиба и разориентированности воздушных течений. К ней же приурочена наибольшая сейсмичность (Б. Гутенберг, К. Рихтер, М.В. Стовас) и удароопасность (И.М. Батугина) месторождений. - верхняя «шапка» Земли; 2 - центральная часть; 3 - кривая плотности Земли; 4 - направление вращения Земли; 5 - направление смещения земных масс Рисунок 2.3 - Модель внутреннего строения Земли (а) и график изменения плотности Земли р с глубиной Н (б) В результате неравномерной плотности вращающихся масс в земной коре возникают срезающие усилия, которые могут фиксироваться в виде разломов на континентах.
Эти срезающие усилия, возникающие при вращении Земли, приурочены к 35 северной широты. Данная широта называется критической, поскольку к ней приурочены зоны распределения напряжений в теле Земли (по землетрясениям) (рисунок 2.4 а), наиболее сильные тектонические движения (рисунок 2.4 б) и воздушные течения по земному шару (рисунок 2.4 в). Вращение Земли по данной критической широте происходит по правилу левого сдвига.
Провинция Шаньдун расположена в середине восточного побережья Китая. Глобальная зона разломов Тан-Лу проходит через центр провинции Шаньдун, разделяет ее на две части: в геологии называется «Лудун» и «Луси». В зоне поднятия сбросовой глыбы (Луси) хорошо развиты разломы, из которых наиболее развиты разломы северо-западного простирания 290 330, угол падения от 60 80, они являются сбросами. Хребет Мэншань имеет северо-западно-юго-восточное простирание и прослежен между поселками Мэнин, Пини и Фэйсянь. Его длина 170 км, ширина 40 км. Мэншаньский разлом прослежен по южному подножию Мэншаньского хребта.
Месторождение Синвэнь находится во впадине Вэньмэн центральной части приподнятого блока «Луси». Угольный бассейн Синвэнь разделен Мэншаньским разломом и разломом Янлю на три части. Шахта Хуафэн находится в самой западной части бассейна, ограничена тремя разломами: Мэншаньским разломом, разломом Наньгучэн и разломом Цыяо (рисунок 1.2). Согласно информационным данным можно констатировать, что шахта Хуафэн расположена в котловине Синьтай-Вэнкоу и примыкает к границе поднятия.
Из анализа карты сейсмотектоники провинции Шаньдун (рисунок 2.6) следует, что ее территория разделена на две части сближенными разломами Тану-Гэгоу, Ишуй-Тантоу, Анцю-Цзюсян, ЦанИ-Дадянь, которые смещены друг относительно друга по этим разломам и представляют собой левосдвиговое перемещение. Таким образом, здесь во второй раз упоминается левосдвиговый характер перемещения, вслед за глобальным сдвиговым перемещением по разлому Куньлунь.
Анализ проявления горных ударов во времени
Существует мнение, что земная кора в основном претерпевает сдвиговое разрушение (АжирейГ.Г., 1966, Суворов А.И., 1968, Воронов П.С, 1969, ПейвеА.В., 1977), реализующееся по зонам разломов. Сдвиги считаются наиболее распространенным видом разломов. Они известны в самых различных районах земного шара (Суворов А.И., 1969). Сдвиги глубоко проникают в земную кору и являются длительно развивающимися структурами.
На рисунке 2.14 на план горных работ нанесены сдвиги разных направлений. В предыдущем разделе было отмечено, что сдвиги ориентированы в северо-восточном направлении. На рисунке 2.15 приведен фрагмент сдвига, выявленного на шахтном поле. Установлено, что сдвиги на шахтном поле носят в основном левый характер.
По результатам полевых наблюдений отдельных исследователей сдвиговый разлом имеет вполне определенную структуру. Приспосабливаясь к наложенным извне движениям, сложная на заключительном этапе образованная зона сдвига имеет вполне строгую последовательность формирования.
При сдвигах наблюдается перистовеерообразное оперение. В этом случае амплитуда горизонтального смещения по их простиранию изменяется более или менее постепенно. При перисто дугообразном оперении амплитуда горизонтального перемещения изменяется скачкообразно. Оперяющие трещины отрыва в крыльях сдвига ориентированы под острым углом к плоскости сместителя так, что вершина острого угла указывает направление смещения соответствующего крыла; системы трещин скалывания могут располагаться параллельно главному нарушению и под углом к нему.
Концы зон сжатия часто примыкают к сдвигам или зонам сдвигов. Иногда сдвиговые деформации разлома сосредоточены в широкой зоне, внутри которой нельзя выделить главных сдвигов. В таких зонах кулисообразно располагаются дайки, сбросы и грабены структуры растяжения. Внутри зоны возникает горизонтальный изгиб, а вся зона в целом испытывает боковое сжатие, которое сопровождается надвигами.
Считается, что со структурой сдвига связаны в основном все деформации, в том числе и складчатость. При этом необходимо учитывать величину угла, под которым плоскость сдвига пересекает слоистость, так как от этого зависит характер структуры, возникающей в результате сдвига. Здесь возможны весьма значительные изменения мощностей слоев: их уменьшение или увеличение.
Подвижка по сдвиговому разлому происходит скачкообразно в направлении действия касательного напряжения, среднего для данного сместителя, что может быть вызвано диапазоном распределения поверхностей ослабления. При формировании зоны сдвига правые и левые сколы являются зеркально симметричными по отношению к оси сжимающих напряжений.
При проведении полевых работ было отмечено смещение овражной и арычной сети, которое носило левосдвиговый характер. Предварительно можно сказать, что природный массив горных пород подвергается сдвиговому разрушению. И это одна из главных особенностей напряжено-деформированного состояния природного массива шахтного поля.
На рисунке 2.16 показан характер и положение сдвигов относительно оврагов и арыков. Это еще раз подтверждает тесную взаимосвязь глубинных процессов и земной поверхности. Таким образом, по рельефу местности можно определять будущие тектонические нарушения, в том числе и сдвиги.
В последние годы на земной поверхности поля шахты Хуафэн возникают широкие и протяженные трещины при глубинах разработок около тысячи метров. Были проведены полевые работы для изучения этих проявленных на поверхности трещин. На рисунке 2.17 показано расположение точек наблюдения на шахтном поле. Описание полевых исследований представлено в приложении А.
Изучение трещин, образовавшихся на поверхности шахты, показывает, что, во-первых, отмечаются нарушения поверхности двух типов. А во-вторых, каждая из трещин на поверхности шахтного поля, расположенная севернее предыдущей, длиннее её. Нарушения первого типа часто изометричные в плане, длиной (радиусом) в первые метры (рисунок 2.18). Сопоставление мест проявления этих нарушений со схемой блочного строения IV ранга показывает, что они приурочены к местам пересечения границ блоков. Поэтому они могут быть связаны с местами активизации карста на пересечении с геодинамически опасными зонами.
В кровле угольной толщи залегают конгломераты, состоящие из обломков карбонатных пород, скрепленных глинистым и карбонатным цементом. Это породы, склонные к карстообразованию. Наличие карста отмечено при геологоразведочных работах.
При ведении горных работ производится осушение вышележащих конгломератов. Например, при проходке капитальных штреков в их кровлю забуривают скважины длиной более 100 м для осушения конгломератов. В результате осушительных работ происходит понижение уровня подземных вод и запускаются процессы суффозии. Процессы суффозии более интенсивно развиваются в интенсивно трещиноватых участках, которым соответствуют границы блоков и зоны пересечения границ блоков.
Нарушения второго типа - это линейные, кулисообразно построенные трещины, с прямолинейными участками в десятки метров, с раскрытием более метра, прослеживаются на глубину более 10 м (рисунки 2.19, 2.21).
С севера от шахтного поля граница блоков 1-1 фиксируется по уступу террасы реки Чайвэньхэ и спрямленному участку ее русла. Азимут простирания — 300-310 градусов. Именно в зоне этой границы блоков, уже попавшей в область сдвижения, в настоящее время отмечается возникновение протяженных раскрытых трещин. Строение трещин фрагментарное, на планах горных работ фрагменты проявившихся на земной поверхности трещин соединяют сплошной линией, ориентированной по азимуту 280-290 градусов, в соответствии с ориентировкой фронта горных работ (рисунок 2.20). Однако при полевых работах установлено, что фрагменты трещин имеют ориентировку 300-310 градусов, что отчетливо видно (рисунок 2.21).
Пути использования полученных результатов для обоснования инженерных мер защиты окружающей среды
Высокая точность аппроксимации, которая достигается при квадратичной и кубической зависимостях, предполагает и высокую точность исходных данных. Однако на практике определение длины трещин имеет погрешность не менее 10%, что связано с частичной рекультивацией поверхности и влиянием экзогенных факторов на сохранность трещин в течение нескольких лет. Поэтому использование линейной аппроксимации можно считать достаточным.
Можно полагать, что зависимость между длиной трещин и углом между границей блоков и ориентировкой очистных выработок вскрывает закономерность, которая объясняется использованием массива ослабленных поверхностей (трещин, которыми представлена граница блоков) для деформирования независимо от направления приложенных сил (конечно, в определенном диапазоне направлений действия этих сил). Такая закономерность объясняется тем, что при изменении направления сил к массиву с системой ослабленных поверхностей разрушение происходит по этим ослабленным поверхностям до тех пор, пока не будут созданы условия для среза массива под углом к ним, т.е. когда угол между направлением приложенных сил и ослабленными поверхностями не превысит некоторую величину. Например, это показано в работах Г.Н. Кузнецова и Г.Л. Фисенко [195] по построению паспорта прочности для слоистых горных пород. Для описания паспорта прочности обычно используют линейное уравнение Кулона-Мора т % + с . На этом основании можно ограничиться линейной аппроксимацией и считать, что эта зависимость описывает закономерность образования трещин и заключается в том, что их длина и раскрытие в условиях шахты Хуафэн линейно зависят от угла между направлением границы блоков и ориентировкой очистных выработок.
Таким образом, для характеристики связи длины трещин на поверхности шахтного поля и угла между простиранием границы блоков 1-ій направлением очистных выработок выбираем формулу Для установления связи ширины раскрытия трещин на поверхности шахтного поля и угла между простиранием границы блоков 1-ій направлением очистных выработок выбираем формулу Эти зависимости характеризуют закономерность образования трещин, которая заключается в том, что их длина и раскрытие в условиях шахты Хуафэн линейно зависят от угла между направлением границы блоков и ориентировкой очистных выработок, что является основанием для оценки изменений земной поверхности.
1. Геодинамическое состояние горного массива шахты Хуафэн обусловлено, с одной стороны, левосдвиговым разрушением от влияния разлома Тан-Лу, а с другой стороны, сдвиговым разрушением, обусловленным взбросовыми подвижками разлома Куньлунь и сдвиговым разрушением, обусловленным влиянием критической 35 широты.
2. В северной части шахтного поля выявлена граница блоков 1-1, которая имеет простирание 315 и может быть интерпретирована как продолжение Мэншаньского разлома. Длина появляющихся на поверхности трещин увеличивается по мере приближения горных работ к границе блоков 1-1. Ориентировка фрагментов образующихся трещин соответствует ориентировке границы блоков 1-1. Это говорит о том, что образование трещин на поле шахты Хуафэн обусловлено влиянием границы гео динамических активных блоков земной коры, что отражается на процессах сдвижения горных пород и характере деформирования земной поверхности.
3. Установлена закономерность, согласно которой длина и раскрытие трещин на поверхности шахты Хуафэн по линейному закону зависят от угла между границей блоков и ориентировкой очистных выработок.
С 90-х годов прошлого века на шахте Хуафэн начали проводить работу по наблюдению за оседаниями земной поверхности под влиянием горных работ. Например, в северной части шахтного поля расположена станция наблюдения за оседаниями земной поверхности, которая имеет 4 линии наблюдения. Эти 4 линии наблюдения расположены по падению пласта. Линия №1 имеет длину 1700 м и 39 пунктов наблюдения, линия №2 имеет длину 2250 м и 105 пунктов наблюдения. Расстояние между пунктами наблюдения составляет 20-50 м. Данные наблюдения за оседаниями земной поверхности поля шахты Хуафэн по линиям №1 и №2 представлены в таблицах Б.1,Б.2,Б.З иБ.4 (Приложение Б).
В таблице Б.1 представлено всего 29 пунктов наблюдения (10 пунктов разрушено). По этим данным была вычислена скорость оседания земной поверхности по линии №1 за 2010 г. (таблица Б.2). По данным таблицы построен график скорости оседания (рисунок 3.1). К сожалению, за предшествующий период данные о скоростях оседания по линии №1 не сохранились.
Более полные данные о скоростях оседания имеются по линии №2, но из всех пунктов имеется только 3 точки с полными данными за период 2006-2010 гг., информация по остальным точкам (всего более 100 пунктов наблюдения) неполная (таблица Б.З). По данным таблицы Б.З вычислена скорость оседания земной поверхности по линии №2 с 2006 по 2010 гг. (таблица Б.4).