Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы влияния блоковой структуры земной коры на шахтное строительство и разработку месторождений полезных ископаемых 11
1.1. Проблемы освоения территорий 11
1.2. Методы выявления блоковых структур в подходах различных авторов 14
1.3. Методы оценки напряжённого состояния земной коры 22
1.4. Вопросы и пути совершенствования метода геодинамического районирования 27
1.5. Выводы и постановка задач 34
2. Выявление блоковых структур земной коры 1 - 4 рангов на участках вновь проектируемых шахт 48
2.1. Теоретические подходы к обоснованию методики выявления блоковых структур земной коры 48
2.2. Методика выявления блоковых структур 51
2.3. Оценка точности выявления блоковых структур по картам 57
2.4. Схемы блоковых структур 1 и 2 рангов Кемеровской области и Егозово-Красноярского месторождения 61
2.5. Схемы блоковых структур 3 ранга Егозово-Красноярского месторождения 70
2.6. Общие сведения по Колмогоровскому участку 81
2.7. Блоковое строение 4 ранга северо-запада Колмогоровского участка и первоочередной шахты Менчерепского УДК 90
2.8. Выводы 96
3. Разработка метода оценки деформаций блоков 4 ранга и напряжений блоковых структур по результатам их среднегодовых смещений 100
3.1. Роль геодинамического районирования в проектировании, строительстве и эксплуатации горных предприятий 100
3.2. Методика расчёта главных компонент деформации блоков земной коры по результатам геодезических измерений их смещений 105
3.3. Алгоритм вычислений 109
3.4. Применение методики на практике 112
3.5. Выводы 116
4. Разработка метода прогноза влияния геодинамической активности блоковых структур на газовыделение в действующие выработки шахт 117
4.1. Модель колебаний блоковых структур под действием сейсмических волн 117
4.2. Моделирование газовыделения угольных пластов при сейсмическом воздействии на блоковые структуры земной коры 121
4.3. Оценка дополнительного газовыделения из угольных пород и пластов при сейсмическом воздействии на блоки шахты «Распадская» 127
4.4. Выводы 130
Заключение 131
Приложения 133
- Методы выявления блоковых структур в подходах различных авторов
- Методика выявления блоковых структур
- Методика расчёта главных компонент деформации блоков земной коры по результатам геодезических измерений их смещений
- Моделирование газовыделения угольных пластов при сейсмическом воздействии на блоковые структуры земной коры
Введение к работе
Актуальность работы. Геодинамические процессы, протекающие в недрах Земли и на её поверхности, негативно влияют на многие сферы жизни и деятельности человека. Особенно сильно проявляется отрицательное воздействие этих процессов при разработке месторождений полезных ископаемых. В шахтах и рудниках многих горнопромышленных районов мира происходят динамические явления, сопровождающиеся внезапными выбросами угля, породы и газа, горными ударами, техногенными землетрясениями. Подобные явления наблюдаются также на угольных месторождениях России, в том числе и в Кузбассе, они приводят к снижению рентабельности горнодобывающих предприятий и опасны для жизни и здоровья работающего персонала.
Существующая расчленённость земной коры на блоки различных масштабных уровней свидетельствует о том, что решение вопросов геодинамической безопасности при освоении недр и земной поверхности находится в области исследований взаимодействия блочной структуры территории с техногенной деятельностью человека. Повышенная сейсмичность южных районов Кузбасса, концентрация открытых и подземных горных работ и техногенное воздействие на природные процессы приводят к возрастанию числа опасных для людей динамических явлений и усилению их проявлений. Сложность и многоаспектность этих проблем требует комплексного подхода к их решению.
Обязательный учёт влияния геодинамических процессов и блочного строения Земли при проектировании, строительстве и эксплуатации горнодобывающих предприятий позволил бы избежать многих отрицательных последствий динамических явлений. Своевременный прогноз опасности и успешное предупреждение горных ударов, внезапных выбросов угля, породы и газа возможны, если знать условия их возникновения. Для определения этих условий необходимы, прежде всего, информация о блоковом строении территории, количественная оценка действующих в блоках сил, описание напряжённого состояния, вызванного этими силами, и выяснение причин, нарушающих их равновесное напряжённое состояние.
В настоящее время отсутствуют сведения о блочном строении территорий промышленной и хозяйственной деятельности человека, разрабатываемых месторождений полезных ископаемых и участков проектируемых шахт, не произведена количественная оценка напряжённо-деформированного состояния блоков, не разработан метод определения дополнительного газовыделения в горные выработки при сейсмическом воздействии на блоки. Решение этих вопросов позволит повысить безопасность и эффективность на всех этапах освоения месторождений полезных ископаемых.
Поэтому прогноз влияния геодинамической активности блоковых структур на напряжённо-деформированное состояние массивов и метановы-деление из угольных пластов является актуальной научной и практической задачей.
Настоящая работа содержит результаты исследований, выполненных автором в 2000 - 2006 гг. в соответствии с заказом администрации Кемеровской области по темам НИР № 103/2000 и № 320/2004.
Целью работы является разработка и обоснование метода прогноза влияния геодинамической активности блоковых структур на напряжённо-деформированное состояние массивов и метановыделение из угольных пластов на основе анализа карт блоковых структур региона и регистрации их современных движений.
Основная идея работы заключается в использовании закономерностей смещения блоков для прогноза влияния их геодинамической активности на напряжённо-деформированное состояние массивов и метановыделение из угольных пластов, расположенных в пределах данных блоковых структур.
Задачи исследований:
- выявить блочное строение 1 - 4 рангов территорий угольных месторождений и участков вновь проектируемых шахт для определения напряжённо-деформированного состояния блоков с целью повышения безопасности эксплуатации горнодобывающих предприятий;
- оценить степень однородности деформаций блоков 4 ранга, приращения главных компонент деформаций и напряжений блоковых структур по результатам геодезических наблюдений их среднегодовых смещений;
- разработать метод прогноза влияния геодинамической активности блоковых структур на газовыделение в действующие выработки шахт.
Методы исследований:
- метод морфоструктурного анализа рельефа земной поверхности для выявления закономерных связей между рельефом и внутренним строением Земли;
- метод геодинамического районирования для определения блочного строения территории месторождения;
- картографический анализ и сопоставление различных материалов, характеризующих геодинамическое состояние территории месторождения;
- методы механики деформируемого твёрдого тела и геомеханики при моделировании газовыделения из угольных пластов и при оценке деформаций и напряжений блоковых структур.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
- блоковые структуры 4 ранга, выявленные на этапе проектирования шахт, являются основой возведения в безопасных местах наземных и подземных сооружений и выработок, а также рационального размещения пунктов наземной геодезической сети для проведения повторных нивелировок и количественной оценки напряжённо-деформированного состояния блоков;
- деформации блоков 4 ранга являются однородными, а приращения величин главных напряжений блоков 4 ранга при их сейсмической активиза ции находятся в пределах 10,8 - 12,0 МПа и сравнимы со значениями снимаемых при крупных землетрясениях напряжений, которые лежат в диапазоне 10-100 МПа;
- резонансные колебания блоков 4 ранга, являясь следствием различных сейсмических событий природного и техногенного характера, вызывают дополнительное выделение газа до 300 тыс. м3 в горные выработки, увеличивая опасность взрывов метана и загазования шахты, а колебания блоков более высокого ранга (1-3 рангов), могут приводить к выделению дополнительно десятков миллионов кубических метров метана.
Научная новизна работы заключается:
- в разработке методики выявления блоковых структур и определении свойств и функций линий разломов при разномасштабных исследованиях блочного строения территорий;
- в установлении однородности деформаций блоков 4 ранга, в оценке приращения величин главных напряжений блоков 4 ранга, обусловленных их медленными вековыми тектоническими движениями;
- в выявлении влияния резонансных колебаний блоков 4 ранга под действием различных сейсмических событий природного и техногенного характера на дополнительное выделение газа в горные выработки.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- использованием основных положений теории тектоники плит, достоверность которой была подтверждена большим количеством экспериментальных исследований и инструментальных наблюдений, выполненных рядом учёных;
- применением метода выявления блоковых структур по рельефу, положительно зарекомендовавшего себя при решении различных задач в некоторых отраслях народного хозяйства;
- хорошей сходимостью полученных результатов геодинамического районирования территории Егозово-Красноярского месторождения с изысканиями ПГО «Запсибгеолсъёмка» и данными шахтных наблюдений;
- использованием классических методов механики деформируемого твёрдого тела и геомеханики.
Личный вклад автора заключается:
- в раскрытии значений применяемых в геодинамике недр терминов, позволивших уточнить объект и предмет исследований;
- в усовершенствовании методических приёмов и способов выявления блоковых структур по топографическим картам;
- в выявлении блочного строения 1 - 4 рангов территории Кемеровской области, Егозово-Красноярского месторождения, Колмогоровского участка, поля первоочередной шахты;
- в определении участков шахтного поля, где высока вероятность возникновения опасных динамических явлений при инженерных работах на шахте;
- в полученных результатах расчёта главных компонент деформации блоков земной коры по данным геодезических измерений их среднегодовых смещений и результатах моделирования газовыделения из угольных пластов при сейсмической активизации блоков;
- в разработке комплексной методики проектирования шахт и шахтных полей на основе результатов геодинамического районирования месторождений.
Научное значение работы заключается в расширении представлений о напряжённо-деформированном состоянии блоковых структур в процессе их вековых движений и оценке влияния сейсмических волн на газоопасность угольных пластов.
Практическая ценность работы:
- получены схемы блочного строения месторождения, использование которых существенно повышает обоснованность и надёжность практических решений как по размещению и строительству подземных и наземных сооружений шахтного комплекса, так и по выбору способа, параметров и технологии разработки месторождений полезных ископаемых, вследствие чего повышается безопасность работ, улучшаются технико-экономические показатели горного предприятия;
- подтверждена однородность деформаций для блоков 4 ранга и произведена количественная оценка напряжений на участках шахтных полей, попадающих в эти блоки, используя результаты геодезических измерений их среднегодовых смещений, способствующая принятию оптимальных проектов строительства и эксплуатации шахт и безаварийной отработке шахтных полей;
- получены результаты моделирования газовыделения угольных пластов при сейсмическом воздействии на блоковые структуры земной коры;
- разработаны рекомендации по проектированию шахт и шахтных полей на основе учёта результатов геодинамического районирования, повышающие эффективность и безопасность освоения угольных месторождений.
Реализация работы. Положения, разработанные в диссертации, были реализованы в следующих работах.
Временные методические указания по выявлению блоков земной коры по картам и расчёту главных компонент их деформации на основе измерений смещения пунктов геодезической сети. - Кемерово: КузГТУ, 2005. - 46 с. Данные указания приняты к производству институтами ОАО «Кузниишахто-строй» и ОАО «Кузбассгипрошахт», а также предназначены для инженерно-технических работников шахт и разрезов, отраслевых институтов, занимающихся проблемами проектирования и строительства горнодобывающих предприятий, проблемами прогноза газодинамических явлений и горных ударов, аспирантов и студентов горных специальностей.
Выявление блоков земной коры по топографическим картам. Методические указания к проведению практических занятий по курсу «Механика блочных структур» для студентов специальности 070600 «Физические процессы горного производства». Они используются в учебном процессе в ГУ КузГТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции в рамках выставки «Уголь России и майнинг» (Новокузнецк, 2004г.), на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2005, 2006 гг.), на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей, аспирантов и студентов ГУ КузГТУ (Кемерово, 2000 - 2005 гг.).
Экспонат - научная разработка «Геодинамика и безопасность жизнедеятельности территорий», подготовленный с участием автора диссертации, награждён Дипломом II степени Международной выставки-ярмарки «Экспо-Сибирь» (Кемерово, 2002 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 168 страницах машинописного текста и содержит 36 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 149 наименований, 3 приложения.
Методы выявления блоковых структур в подходах различных авторов
В последние годы решением проблемы борьбы с динамическими явлениями на шахтах и рудниках занимается новая отрасль науки «Геодинамика недр» (И.М. Петухов, И.М. Батугина), созданная на основе обобщения знаний наук о Земле, фундаментальных и технических наук [27-30, 37, 38]. «Геодинамика недр», применяя полученные выводы, практические приемы и рекомендации, также может решать ряд задач и в других отраслях народного хозяйства.
Метод - это путь к цели. Если нет метода или метод разработан не достаточно, - нельзя достигнуть цели [39]. В новой отрасли горной науки применяется метод геодинамического районирования участков земной коры, в основном разработанный И.М. Батугиной, КузПИ (КузГТУ) и И.М. Петухо-вым, ВНИМИ, который позволяет учитывать особенности геодинамики земной коры конкретного района. Суть метода заключается в изучении блочной структуры массива горных пород для выявления его тектонически-напряженных зон и оценки напряженного состояния. На базе этих данных разрабатываются рекомендации и профилактические меры безопасного и эффективного освоения недр, применяемые на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации горных предприятий. В методе геодинамического районирования выделяются три основных этапа исследований. 1. Выявление блочной структуры любой территории, в том числе, территории района месторождения полезного ископаемого. 2. Оценка напряженного состояния нетронутого массива в районе месторождения. 3. Разработка рекомендаций и профилактических мер по безопасному освоению недр на всех стадиях. Исследования на этапах осуществляется определенными методами, описание которых дается ниже.
Идея метода геодинамического районирования базируется на теории тектоники литосферных плит. Немецким геофизиком А. Вегенером (1912 г.) и американским геологом Ф. Тейлором (1910 г.) была выдвинута гипотеза континентального дрейфа [40, 41], в дальнейшем развитая другими учёными в теорию тектоники литосферных плит [42-47 и др.]. Согласно этой теории, земная кора разделена на подвижные литосферные плиты. Плиты смещаются относительно друг друга, образуя зоны растяжений, надвиги, подцвиги и сдвиги. В результате их взаимодействия и напряжений, возникающих на границах плит, плиты дробятся на крупные мегаблоки. Последние по той же схеме и согласно напряжениям на их контактах, делятся на блоки меньших размеров. Таким путём можно получить блочное строение небольшой территории, динамическое взаимодействие блоков которой и будет определять естественное поле напряжений исследуемого района.
Возможность использования различных методов исследования блочных структур основывается на тесной генетической взаимосвязи разломов земной коры, перемещений по ним блоков и сопутствующим им физико-геологическим, геохимическим и другим явлениям. Необходимость использования не одного какого-либо метода, а их комплекса непосредственно вытекает из сложности и многофакторности связи форм земной поверхности с глубинным строением Земли и тектоническими движениями. При этом ценность геоморфологических методов заключается в том, что рельеф земной поверхности отражает не только свойства приповерхностной части структуры земной коры, но и глубинные. А это важно для прогнозирования зон опасных микросейсмических проявлений и горных ударов. К тому же, мировая практика разведки и эксплуатации угольных месторождений на современном техническом уровне показала, что основным фактором, определяющим эффективность угледобычи, является тектоника [8, 9,12,48 и др.].
Во многих исследованиях применяются комплексы методов. Наиболее оптимальным из них является комплекс, в котором используемые методы не будут дублировать друг друга. Но каждый из них будет обладать возможностью наряду с общими, поставлять данные, полученные только этим методом. К таким комплексным методам относится и морфоструктурный анализ (МСА). Морфоструктурный анализ представляет собой новое направление исследований, возникшее на стыке двух наук: геоморфологии и геотектоники. Основная задача его - выявление закономерных связей между рельефом и внутренним строением Земли, а также использование этих закономерностей при изучении строения и развития земной коры в целом. Исследования проводятся на основе анализа геоморфологических, геологических и геофизических данных, позволяющего выявлять дизъюнктивные нарушения, глубинные разломы, с которыми связаны не только вертикальные, но и горизонтальные смещения блоков земной коры. Таким образом, МСА - это система взглядов и методология выявления элементов тектоники, в том числе скрытой глубиной, опосредованно по совокупности структурных черт рельефа [47-57 и др.]. Обладая широкими возможностями, МСА в сочетании с приёмами горного дела позволяет до начала проектирования горных предприятий выделить блочную структуру месторождения, определить тектонически-напряженные зоны, оценить напряженное состояние горного массива и на базе этих исследований разработать профилактические меры безопасного и эффективного освоения недр.
В геодинамике недр широко задействованы геоморфологические методы, применяемые в комплексе с геологическими и геофизическими исследованиями. Общую задачу и основной характер геоморфологических исследований в этом плане хорошо сформулировал М.В. Пиотровский [52] в статье, посвященной поискам эндогенного оруденения. «Общая задача геоморфологических методов - это выявление геоблоков, подчиненных блоков в их пределах, сетки разломов, разделяющих геоблоки и подчинённых нарушений разных порядков». Далее сетка разломов «позволяет анализировать поля тектонических напряжений, выявляя ведущие центры и оси деформаций, швы блоков, зоны возможных сжатий и растяжений, узлы пересечения разломов и позиции кольцевых структур». Эти положения полностью вошли в метод геодинамического районирования, и составляют основной пакет исследований, направленный на определение естественного напряженного состояния конкретного участка земной коры. Метод геодинамического районирования первым этапом исследований предполагает выделение блочной структуры участка земной коры. Основным методом выявления блоков является морфоструктурный анализ (МСА) рельефа. Значительный вклад в развитие приёмов и методов МСА и их применение на практике внесли Л.Б. Аристархова, A.M. Берлянт, Н.Г. Волков, П.С. Воронов, С.С. Воскресенский, В.Я. Гвин, ИЛ. Герасимов, К.И. Геренчук, Л.К. Зятькова, Ю.Н. Кулаков, А.Н. Ласточкин, К.К. Марков, Ю.А. Мещеряков, Н.И. Николаев, А.В. Орлова, Н.А. Ржаницын, А.П. Рождественский, Л.Е. Сетунская, Ю.Г. Симонов, В.П. Философов, В.А. Филькин, В.Е. Хаин и многие другие исследователи.
В настоящее время МСА располагает широким набором методов и приёмов изучения новейшего структурного плана территории. Подробная их классификация дается в статье A.M. Берлянта [58] и в коллективной работе А.П. Рождественского, Ю.Е. Журенко, И.К. Зиняхиной [59]. A.M. Берлянт классифицировал методы с точки зрения использования картографических материалов. Известно много примеров [60-64 и др.] успешного выявления морфоструктур и новейших движений земной коры по особенностям строения речных долин. Проанализировав современное состояние и основные направления методических разработок, Л.Л. Розанов [65] предложил свою классификацию. Составленная им классификация охватывает более 90 методов и приёмов структурно-геоморфологического изучения речных долин равнинных территорий. Л.Б. Аристарховой [66] создана детальная классификация методов МСА применительно к условиям платформенных равнин.
Методика выявления блоковых структур
Для выявления блоковых структур применяют [27-30, 37, 38] топографические карты различных масштабов. При этом блоки 1 ранга выделяют по топографической карте масштаба 1 : 2 500 000, блоки 2 ранга - по топографической карте масштаба 1 : 1 000 000 в пределах того блока 1 ранга, в котором расположена исследуемая территория. Блоки 3 ранга выделяют по топографической карте масштаба 1 : 100 000 в пределах блока 2 ранга, к которому приурочена исследуемая территория. Блоки 4 ранга выделяются по топографической карте масштаба 1 : 25 000 в пределах блока 3 ранга, в котором находится исследуемая территория.
Выделение блоков с 1 по 4 ранг проводилось по методике, разработанной А.В. Орловой [87, 88]. Методика, предложенная А.В. Орловой, основывается на морфометрическом анализе современного рельефа, в котором запечатлена различная интенсивность вертикальных движений блоков. Блоковые структуры фундамента, так или иначе, отражаются в формах современного рельефа. В результате суммы последовательных перемещений, как положительных, так и отрицательных, блоки оказываются на разных уровнях высоты. Фиксируются в рельефе и горизонтальные перемещения блоков, если эти перемещения вызывают изменение гипсометрического уровня поверхности.
Первой операцией при выделении блоков является определение минимальной разницы высот, достаточной для отнесения двух соседних участков & к разным блокам. В каждом конкретном районе за минимальную разницу вы сот hmin можно принять 0.1 (Hmax-Hmin), где Нтах - абсолютная максимальная высота рельефа, м; Hmjn - абсолютная минимальная высота рельефа (без учета врезов речных долин), м. На карте намечаются опорные высоты, к которым относятся отметки водоразделов, отчетливо выраженные горизонтальные площадки (ступени) на склонах, а также пониженные выровненные участки. Во внимание не принимаются отметки склонов и речных долин. Опорные высоты позволяют (с учетом минимальной разницы высот) оконтурить блоки линиями разломов, которые проводятся прямолинейными и плавно закругленными.
Выделение границ блоков осуществляется по следующим дешифриро-вочным признакам рельефа: подножию склонов; последовательно размещенным спрямленным участкам речных долин; перегибу склона, отделяющему тектоническую ступень от более возвышенной части; тяготению к определенной линии русел разных рек и ручьев, в результате чего, последовательно соединяя эти русла, можно получить одну линию; приуроченности коленооб-разных изгибов речных долин к одной общей линии; линейному расположению седловидных перегибов или уступов двух или нескольких соседних гряд; цепочке озер или болот (рис. 2.1, 2.2). Наиболее достоверно выделяются блоки линиями разломов, которые проходят по разнородным признакам. Всей поверхности блока условно приписывают отметку наивысшего в его пределах участка.
Таким образом, исследуемая территория разбивается на блоки разной формы, разных размеров и разной абсолютной высоты. Полученная карта блоков является основой для реконструкции линий рельефообразующих разломов, определения амплитуды для каждого из разломов, установления знака перемещения блоков по этим разломам.
Оконтуривание блоков тектонического рельефа в районах с небольшой относительной разницей высот отдельных участков местности (по А.В. Орловой) і блоков на карте блоковых структур образуют прямолинейную или плавно за кругленную линию, проходящую через всю исследуемую площадь. Таких линий может быть одна, две, три, реже больше. После выделения непрерывных линий разломов выявляют разломы, непрерывность которых уже нарушена разломами, выделившимися в первую очередь. Достоверность выделенных разломов должна подтверждаться выдержанностью соотношения высот по линиям разломов.
Амплитуда относительного перемещения блоков для каждого разлома определялась там, где линия разлома проходила одна, не совмещаясь с другими. Вычислялась амплитуда путем сравнения высот всех соответствующих граничных блоков. Суммарная амплитуда совмещенных разломов должна соответствовать фактической разнице абсолютных отметок, граничащих по ним блоков. За амплитуду того или иного разлома принимают величину, равную наибольшему значению амплитуд. Производят корректировку амплитуд для тех участков, на которых совмещены несколько разломов.
Завершающим этапом в выделении блоковых структур является определение знака перемещения блоков. При определении знака перемещения блоков по некоторым разломам можно воспользоваться конфигурацией разлома. Если разломы параллельны или симметрично расходятся, зеркально расположены по отношению друг к другу, то они оконтуривают грабен или горст. В этом случае перемещалась внутренняя группировка блоков. Если разлом имеет тенденцию к замыканию или замыкает какой-то участок, то здесь тоже наблюдалось перемещение блоков, находящихся в замкнутом контуре.
При линейной вытянутости разлома невозможно определить первым способом, какой блок перемещался по соответствующему разлому. Этот вопрос решается с помощью уравнений, в которые входит значение фоновой высоты. Под фоновой высотой понимается условная средняя абсолютная высота современной поверхности до начала рельефообразующих движений. ї Чтобы определить значение фоновой высоты необходимо выбрать наиболее стабильный блок, который или не перемещался, или перемещался реже других блоков по уже дешифрированным разломам с известными амплитудой и знаком перемещений. Высота такого блока (с соответствующей поправкой, если он перемещался) и принимается за фоновую высоту.
Далее, для каждого разлома берется по блоку по одну и другую сторону от него. При этом должно выполняться одно условие - для всех разломов, кроме дешифрируемого, амплитуда и знак перемещения должны быть определены. После чего составляют уравнения, по одному уравнению для каждого блока. Эти уравнения характеризуют перемещение блоков относительно друг друга по дешифрируемому разлому.
Методика расчёта главных компонент деформации блоков земной коры по результатам геодезических измерений их смещений
По имеющимся в настоящее время в научной литературе данным [104] деформации блоковых структур можно в первом приближении считать однородными. Тогда вследствие того, что деформации вычисляются через первые производные от смещений по координатам точек земной поверхности, смещения должны быть линейными функциями координат. Отсюда также следует, что при однородных деформациях блоковых структур не важно, относительно какого геодезического пункта (начала) ведётся наблюдение за смещениями блоков [104].
Обозначим через х, у, z координаты пунктов наблюдений в произвольно выбранной ортогональной системе координат, а и, v,w- компоненты смещений пунктов по осям координат. На некоторых шахтных полях Кузбасса по этой методике производился расчёт главных компонент деформации и главных дополнительных напряжений блоков земной коры. Многолетние геодезические измерения современных движений земной коры юга Кузбасса проводились в течение последних десяти лет на нескольких специально оборудованных полигонах городов Междуреченска и Таштагола [135].
Наибольшее значение для территории Кузбасса такие измерения имеют в сейсмоопасном районе - на юге Кузбасса, поскольку в этом районе в начале XX столетия зарегистрированы сейсмические события силой до 7,5 баллов по шкале Рихтера. Интенсивные тектонические процессы, обусловившие горообразование в сравнительно молодых складчатых областях Ал-тае-Саянского региона, оказывают существенное влияние на сейсмичность территории и современные движения блоков земной коры. Значительное влияние на геодинамическую активность и экологию среды обитания человека южных районов Кузбасса оказывают также открытые и подземные горные работы. Они приводят к смещениям отдельных участков земной поверхности, их просадкам, оползневым явлениям и разрушению промышленных и гражданских зданий и сооружений, экологическим катастрофам.
Геодезические измерения представляют собой прямой, наиболее точный метод изучения смещений блоков земной коры, обусловленных природными и техногенными процессами. На рис. 3.1 показана схема наблюдательных опорных пунктов на геодинамическом полигоне, расположенном на поле шахты «Распадская». Такое приращение напряжений в блоках (табл. 3.4) сравнимо со снимаемым напряжением при землетрясениях. Величина сброшенного напряжения при сильных землетрясениях, как показывают расчёты Д. Тёркота и Дж. Шуберта, 1985, лежит в диапазоне 10-100 МПа. Дополнительные напряжения при подвижках блоков, вызванные природными и техногенными причинами, явились причиной горного удара тектонического типа, произошедшего на шахте «Распадская» в период проведения геодезических наблюдений. Исходя из наших расчётов, этот горный удар легко было спрогнозировать на основе геодезических измерений смещения блоковых структур в рассматриваемый период времени.
Гипотеза об однородности деформаций мегаблоков была выдвинута Н.П. Есиковым [104, 145], но ни кем ещё не проверена. Мы подтвердили эту гипотезу для блоков 4 ранга, экспериментально проверили и применили её для количественной оценки напряжений на участках шахтных полей, попадающих в этот блок.
Применяется методика на всех этапах освоения недр. На стадии пред-проектных исследований она позволяет определить природное напряжённое состояние блочного массива горных пород месторождения. Эта информация способствует принятию объективных проектных решений по раскройке месторождения на шахтные поля и последовательности их отработки. Вычислив величину и направленность векторов смещений, можно судить об относительном поведении блоковых структур и изменении их напряжённого состояния во времени и пространстве.
Моделирование газовыделения угольных пластов при сейсмическом воздействии на блоковые структуры земной коры
Газоносность угольных пород и пластов является важным фактором, влияющим на безопасность ведения горных работ. Данные по газоносности действующих и разведываемых шахтных полей необходимы для прогноза газообильности горных выработок, разработки мер борьбы с газодинамическими явлениями, инженерных расчётов вентиляции и промышленной дегазации шахт. Оптимальность принимаемых в этом плане решений зависит также от объёма газа (который пока не учитывают), дополнительно выделяющегося из угольных пород и пластов при сейсмическом воздействии на блоковые структуры земной коры.
Рассмотрим периодическую сейсмическую нагрузку, воздействующую на выделенный блок с частотой со = 2п/Т, где Г-период нагрузки. Пусть для простоты расчётов эта нагрузка представляет собой прямоугольные импульсы с периодом Т и амплитудой A=Fumax/m, где m - масса блока, Fumax - максимальная сила в импульсе, которая способна сдвинуть блок вдоль разломов и которая согласно [145] определяется по формуле Fr=2fs{p-pa)gaH2+pga H, (28) где fs - статический коэффициент трения по берегам разломов; р, рю -средняя плотность пород и воды, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с ; а - размеры блока по горизонтали, м; Н- высота блока, м.
В угольных шахтах источниками газовыделения служат разрабатываемые, а также смежные подрабатываемые или надрабатываемые пласты угля и пропластки, вмещающие породы. Выделяются газы через свободную поверхность пласта и из отбитого угля. Прогноз ожидаемого газовыделения осуществляется в настоящее время расчётным методом по природной газоносности пластов с учётом принятой системы разработки и порядка отработки пластов в свите. Полученный таким образом прогноз не содержит газовую составляющую, образуемую при тектонических подвижках.
Нами предлагается метод определения дополнительного газовыделения в горные выработки, который учитывает раздробленность шахтного поля на блоки, испытывающие различной природы силовые нагрузки. В расчётную формулу вводятся геометрические параметры блока и суммарная мощность угольных пластов, находящихся в этом блоке.
Такой подход к решению данной задачи продиктован всеобщим характером структурированности земной коры на блоки разных размеров. Блок того или иного ранга, участвуя в геодинамических процессах, выступает в качестве целостного объекта как относительно самостоятельная единица. Это свидетельствует о необходимости использования его характеристик в подобных расчётах. Сейсмическое воздействие на блок вызывает дополнительное выделение газа.
Различные сейсмические события природного и техногенного характера приводят к резонансным колебаниям блоков, в силу которых выделяется дополнительный объём газа из угольных пород и пластов блоков.
Исходные данные о физико-технических свойствах и газоносности угольных пород и пластов шахты «Распадская», необходимые для расчёта объёмов дополнительного газовыделения при сейсмическом воздействии на блоки, были взяты из [146, 147] (табл. 4.1). Расчёт дополнительного газовыделения производился для блоков разных размеров, содержащих суммарные мощности угольных пластов в 10, 15 и 20 метров.
Дополнительное выделение больших объёмов газа (табл. 4.2), являясь производной сейсмических подвижек блоков, увеличивает вероятность воспламенения метана и других газодинамических явлений. Поэтому учёт дополнительного газовыделения из угольных пород и пластов блоков необходим и важен при проектировании и отработке угольных месторождений.
Построенные по результатам расчётов прогнозные карты распределения напряжений на отдельные периоды освоения месторождения и учёт дополнительного газовыделения из угольных пород и пластов блоков дают возможность выбрать соответствующую технологию вскрытия и ведения подготовительных и очистных работ, разработать меры предотвращения горных ударов и внезапных выбросов угля и газа.
